CN113109190B - 一种多轴热机械载荷下基于短裂纹的寿命预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多轴热机械载荷下基于短裂纹的寿命预测方法，该方法不仅考虑到了复杂机械载荷对裂纹扩展的影响，还考虑到了温度载荷对裂纹扩展的影响。该方法结合试验选取了合适的临界平面，在临界面上将复杂的多轴机械载荷等效为单轴载荷，同时考虑到裂纹闭合效应的影响计算得到疲劳裂纹的扩展量，再通过细分法得到了蠕变裂纹的扩展量，最后将疲劳裂纹扩展量与蠕变裂纹扩展量进行叠加得到每个热机械载荷循环下的裂纹扩展量，然后进行不断地迭代累加直至裂纹尺寸达到临界裂纹长度。该方法能很好的预测结构件在多轴热机械载荷下疲劳裂纹扩展寿命。

Description

一种多轴热机械载荷下基于短裂纹的寿命预测方法
技术领域
本发明应用领域是多轴热机械疲劳强度寿命预测方向，特指一种多轴热机械载荷下基于短裂纹的寿命预测方法研究。
背景技术
在工程实际中，特别是在航空、航天、压力容器和核电站等领域中，许多设备零部件不仅承受复杂的多轴机械载荷的作用，还要承受环境载荷的作用，特别是在最近几十年以来，一些设备的工作环境越来越恶劣，机械结构越来越复杂，因而对于结构件在多轴热机械载荷下的疲劳性能研究具有迫切的要求，整个构件的寿命取决于材料的多轴热机械疲劳性能。
随着科学技术的发展，在材料和工程结构中能够检测到的裂纹长度越来越短，并且在工程实际中大多数构件都会由其内部的缺陷、夹杂、气孔等裂纹源而产生短裂纹，而构件的疲劳寿命基本都用在了裂纹尺寸小于1mm的短裂纹阶段，因而对于结构件在复杂载荷下的短裂纹扩展的寿命预测方法研究具有重要的意义。
发明内容
本发明目的在于在多轴热机械载荷情况下，提高结构件的寿命预测精确性，提出一种多轴热机械载荷下基于短裂纹的寿命预测方法。
本发明所提供的多轴热机械载荷下基于短裂纹的寿命预测模型，其步骤为：
步骤1)：通过对薄壁管件的多轴疲劳短裂纹萌生与扩展试验研究证实，疲劳短裂纹多在剪应力范围最大，且法向应力范围较大的平面上产生并扩展，因此将此平面作为临界平面，并在此平面上将法向应力范围与剪切应力范围通过Mises公式进行合成，将多轴应力等效为单轴应力用于计算裂纹扩展驱动力。
Figure BDA0002993490490000021
其中，Δσeq为等效应力，Δσ为法向应力范围，Δτ为剪切应力范围；
Figure BDA0002993490490000022
其中，ΔKeq为裂纹扩展驱动力，Y为形状因子，a为半裂纹长度；
步骤2)：依据Newman裂纹闭合公式计算裂纹闭合效应对短裂纹扩展的影响，进而根据Paris公式计算疲劳裂纹扩展速率。
ΔKeff＝UΔKeq
其中，ΔKeq为有效裂纹扩展驱动力，U为通过Newman裂纹闭合公式计算得到的裂纹闭合系数；
Figure BDA0002993490490000023
其中，
Figure BDA0002993490490000024
是裂纹扩展速率，C，m为单轴Paris常数；
步骤3)：将机械载荷与温度载荷按合适的时间区间分割，并计算每个区间上温度载荷对裂纹扩展的贡献量。
Figure BDA0002993490490000025
其中，C*为蠕变当量，ε为单轴失效应变；
Figure BDA0002993490490000026
其中，A为温度影响系数，由等温疲劳试验得到，σref为名义应力；
A＝α*eβT
其中，α和β由单轴高温疲劳试验得到；
步骤4)：将每个区间的蠕变裂纹扩展量进行累加得到整个循环的蠕变裂纹扩展量。
Figure BDA0002993490490000031
步骤5)：将机械载荷下疲劳裂纹扩展量与温度载荷下蠕变裂纹扩展量相加得到每个循环下总的裂纹扩展量。
Figure BDA0002993490490000032
步骤6)：将每个循环下裂纹的扩展量与之前的裂纹长度相加作为下一个循环的初始裂纹长度，如此循环，直至裂纹长度超过临界裂纹长度，将总循环次数作为疲劳裂纹扩展寿命。
本发明的优点在于：提出了一种多轴热机械载荷下基于短裂纹的寿命预测方法，该方法结合构件的实际工作条件，不仅考虑到复杂的多轴机械载荷对疲劳短裂纹扩展的影响，而且考虑到了在一定载荷下温度与时间对短裂纹扩展的作用，提出的寿命预测模型能够应用于结构件的实际工作条件下，具有一定的工程实际意义。
附图说明
图1本发明方法提供的一种多轴热机械载荷下基于短裂纹的寿命预测方法流程图。
图2为细分法计算多轴热机械载荷下蠕变裂纹扩展的示例。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施方式。
本发明通过多轴热机械疲劳试验做了进一步说明，试验材料为镍基高温合金GH4169，施加载荷条件为拉扭多轴机械载荷与温度载荷，并且将机械相位角与热相位角在同向与异向下进行多种组合进行加载。
一种多轴热机械载荷下基于短裂纹的寿命预测方法，具体计算方法如下：
步骤1)：通过对薄壁管件的多轴疲劳短裂纹萌生与扩展试验研究证实，疲劳短裂纹多在剪应力范围最大，且法向应力范围较大的平面上产生并扩展，因此将此平面作为临界平面，并在此平面上将法向应力范围与剪切应力范围通过Mises公式进行合成，将多轴应力等效为单轴应力用于计算裂纹扩展驱动力。
Figure BDA0002993490490000041
其中，Δσeq为等效应力，Δσ为法向应力范围，Δτ为剪切应力范围；
Figure BDA0002993490490000042
其中，ΔKeq为裂纹扩展驱动力，Y为形状因子，a为半裂纹长度；
步骤2)：依据Newman裂纹闭合公式计算裂纹闭合效应对短裂纹扩展的影响，进而根据Paris公式计算疲劳裂纹扩展速率。
ΔKeff＝UΔKeq
其中，ΔKeq为有效裂纹扩展驱动力，U为通过Newman裂纹闭合公式计算得到的裂纹闭合系数；
Figure BDA0002993490490000043
其中，
Figure BDA0002993490490000044
是裂纹扩展速率，C，m为单轴Paris常数；
步骤3)：将机械载荷与温度载荷按合适的时间区间分割，并计算每个区间上温度载荷对裂纹扩展的贡献量。
Figure BDA0002993490490000045
其中，C*为蠕变当量，ε为单轴失效应变；
Figure BDA0002993490490000051
其中，A为温度影响系数，由等温疲劳试验得到，σref为名义应力；
A＝α*eβT
其中，α和β由单轴高温疲劳试验得到；
步骤4)：将每个区间的蠕变裂纹扩展量进行累加得到整个循环的蠕变裂纹扩展量。
Figure BDA0002993490490000052
步骤5)：将机械载荷下疲劳裂纹扩展量与温度载荷下蠕变裂纹扩展量相加得到每个循环下总的裂纹扩展量。
Figure BDA0002993490490000053
步骤6)：将每个循环下裂纹的扩展量与之前的裂纹长度相加作为下一个循环的初始裂纹长度，如此循环，直至裂纹长度超过临界裂纹长度，将总循环次数作为疲劳裂纹扩展寿命。
为了验证本发明提出的多轴热机械载荷下基于短裂纹的寿命预测模型准确性，将本方法计算所得的寿命预测结果与多轴热机械疲劳试验结果进行了对比，预测结果与实验结果在二倍因子之内，因此提出的寿命预测方法能够较好的预测多轴热机械载荷下的疲劳寿命。

Claims (6)

1.一种多轴热机械载荷下基于短裂纹的寿命预测方法，其特征在于：具体步骤如下，
步骤1)：薄壁管件的多轴疲劳短裂纹萌生与扩展试验中，疲劳短裂纹多在剪应力范围最大，且法向应力范围较大的平面上产生并扩展，因此将此平面作为临界平面，并在此平面上将法向应力范围与剪切应力范围通过Mises公式进行合成，将多轴应力等效为单轴应力用于计算裂纹扩展驱动力；
Figure FDA0002993490480000011
其中，Δσeq为等效应力，Δτ为剪切应力范围，Δσ为最大剪切应力范围平面的较大法向应力范围；
Figure FDA0002993490480000012
其中，ΔKeq为裂纹扩展驱动力，Y为形状因子，a为半裂纹长度；
步骤2)：依据Newman裂纹闭合公式计算裂纹闭合效应对短裂纹扩展的影响，进而根据Paris公式计算疲劳裂纹扩展速率；
ΔKeff＝UΔKeq
其中，ΔKeq为有效裂纹扩展驱动力，U为通过Newman裂纹闭合公式计算得到的裂纹闭合系数；
Figure FDA0002993490480000013
其中，
Figure FDA0002993490480000014
是裂纹扩展速率，C，m为单轴Paris常数；
步骤3)：将机械载荷与温度载荷按时间区间分割，并计算每个区间上温度载荷对裂纹扩展的贡献量；
Figure FDA0002993490480000015
其中，C*为蠕变当量，ε为单轴失效应变；
Figure FDA0002993490480000021
其中，A为温度影响系数，由等温疲劳试验得到，σref为名义应力；
A＝α*eβT
其中，α和β由单轴高温疲劳试验得到；
步骤4)：将每个区间的蠕变裂纹扩展量进行累加得到整个循环的蠕变裂纹扩展量；
Figure FDA0002993490480000022
步骤5)：将机械载荷下疲劳裂纹扩展量与温度载荷下蠕变裂纹扩展量相加得到每个循环下总的裂纹扩展量；
Figure FDA0002993490480000023
步骤6)：将每个循环下裂纹的扩展量与之前的裂纹长度相加作为下一个循环的初始裂纹长度，循环直至裂纹长度超过临界裂纹长度，将总循环次数作为疲劳裂纹扩展寿命。
2.根据权利要求1所述的一种多轴热机械载荷下基于短裂纹的寿命预测方法，其特征在于：所述步骤1)中由多轴疲劳试验证实，裂纹会在某一临界平面上产生并扩展，选取剪应力范围最大，且法向应力范围较大的平面作为临界面，认为裂纹在此平面上产生并扩展。
3.根据权利要求1所述的一种多轴热机械载荷下基于短裂纹的寿命预测方法，其特征在于：所述步骤3)中将机械载荷与温度载荷分为了若干个合适的区间，认为当法向应力为正值时，温度载荷对裂纹扩展有一定的贡献，将区间的法向应力最大值与剪切应力最大值依据Mises公式进行合成作为名义应力σref，同样取区间最大温度值作为温度载荷进行计算，计算温度载荷对裂纹扩展的贡献量，当正应力为负值时，认为温度载荷对裂纹的扩展没有影响，此时名义应力取0；
Figure FDA0002993490480000031
4.根据权利要求1所述的一种多轴热机械载荷下基于短裂纹的寿命预测方法，其特征在于：所述步骤3)中A为温度影响系数，由不同温度下单轴疲劳裂纹扩展实验得出；
A＝α*eβT。
5.根据权利要求1所述的一种多轴热机械载荷下基于短裂纹的寿命预测方法，其特征在于：所述步骤5)中从初始裂纹开始，每进行一个循环将机械载荷下疲劳裂纹扩展量与温度载荷下蠕变裂纹扩展量进行相加作为此循环的裂纹扩展量，将其与循环之前的裂纹长度相加作为下一个循环的初始裂纹长度，如此进行迭代直至裂纹长度达到临界裂纹长度。
6.根据权利要求1所述的一种多轴热机械载荷下基于短裂纹的寿命预测方法，其特征在于：所述步骤6)中裂纹扩展寿命的计算，初始裂纹长度与材料晶粒尺寸相关，由试验证实一般取材料的平均微观结构尺寸；最终裂纹长度与材料的断裂韧性密切相关；
Figure FDA0002993490480000041
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