CN113609675A - 一种疲劳短裂纹扩展速率预测模型的确定方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本说明书实施例公开了一种疲劳短裂纹扩展速率预测模型的确定方法及装置。方案包括：对材料进行不同应力范围条件下疲劳短裂纹扩展实验，记录实验数据；根据实验数据计算有效应力强度因子ΔKeff和疲劳短裂纹扩展速率da/dN；计算微观结构短裂纹长度对应的有效应力强度因子ΔKeff‑msc；基于ΔKeff和ΔKeff‑msc确定第一预测疲劳断裂纹速度模型；确定第一预测疲劳断裂纹速度模型中的拟合常数，带入所述第一预测疲劳断裂纹速度模型中。

Description

一种疲劳短裂纹扩展速率预测模型的确定方法及装置
技术领域
本申请涉及疲劳裂纹扩展速率预测技术领域，尤其涉及一种疲劳短裂纹扩展速率预测模型的确定方法及装置。
背景技术
随着我国经济水平及科学技术的飞速发展，对轻量化、高寿命化、大型化的海洋船舶、石油开采等工程结构件的需求日益增加。但随着结构件增加，疲劳断裂的危害性也随之增加。而小于1.5mm的疲劳短裂纹约通常占据结构件疲劳总寿命的50-80％，如果采用传统Paris公式则会获得非保守的疲劳寿命，带来一定的风险性。通常通过消除裂纹闭合效应获得有效应力强度因子ΔKeff计算疲劳短裂纹扩展速率。
然而疲劳短裂纹通常分为微观结构短裂纹(MSC)及物理短裂纹(PSC)，并且在MSC的裂纹扩展速率会受到极大的晶界阻碍，呈现递减趋势，但目前不同材料具有不同的MSC，而PSC阶段的裂纹扩展速率几乎不会受到晶界阻碍，呈现增长趋势，致使疲劳短裂纹呈现一个先减后增的V形趋势，但目前尚未存在有效应力强度因子ΔKeff描述短裂纹V形扩展的模型。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于ΔKeff来预测疲劳短裂纹扩展速率的分段模型，为检检测海洋平台结构件提供重要理论依据及工业价值，具有重要意义。
为解决上述技术问题，本说明书实施例是这样实现的：
本说明书实施例提供的一种疲劳短裂纹扩展速率预测模型的确定方法，其特征在于，所述方法包括：
对材料进行不同应力范围条件下疲劳短裂纹扩展实验，记录实验数据；
根据实验数据计算有效应力强度因子ΔKeff和疲劳短裂纹扩展速率da/dN；
计算微观结构短裂纹长度对应的有效应力强度因子ΔKeff-msc；
基于ΔKeff和ΔKeff-msc确定第一预测疲劳断裂纹速度模型；
确定第一预测疲劳断裂纹速度模型中的拟合常数，带入所述第一预测疲劳断裂纹速度模型中。
可选的，所述根据实验数据计算有效应力强度因子ΔKeff，具体包括：
根据实验数据计算应力强度因子ΔK；
Figure BDA0003195943610000021
其中ΔK为应力强度因子范围，Y为形状因子需按照实际试样所对应标准进行计算，Δσ为应力，a为表面裂纹长度；
根据所述应力强度因子计算有效应力强度因子ΔKeff；
Figure BDA0003195943610000022
其中ΔKeff为有效应力强度因子范围，σop为裂纹张开应力，σmax为最大应力，R为应力比。
可选的，所述根据实验数据计算疲劳短裂纹扩展速率da/dN，具体包括：
Figure BDA0003195943610000023
其中，ΔN为循环次数增加数值，Δa为表面裂纹增加长度，ai+1为循环次数为Ni+1时表面裂纹长度。
可选的，所述计算微观结构短裂纹长度对应的有效应力强度因子ΔKeff-msc，具体包括：
根据应力Δσ和微观结构短裂纹长度计算微观结构短裂纹长度amsc所对应的应力强度因子ΔKmsc；
根据ΔKmsc微观结构短裂纹长度amsc对应的有效应力强度因子ΔKeff-msc。
可选的，
Figure BDA0003195943610000024
其中，微观结构短裂纹长度amsc的长度是通过da/dN-a趋势图定义的，amsc为裂纹扩展速率递减与增加的临界点，ΔKmsc为amsc对应的应力强度因子，Y为形状因子需按照实际试样所对应标准进行计算，Δσ为应力；
可选的，
Figure BDA0003195943610000031
其中，ΔKeff-msc为微观结构短裂纹长度amsc对应的有效应力强度因子范围，σop为裂纹张开应力，σmax为最大应力，R为应力比。
可选的，所述基于ΔKeff和ΔKeff-msc确定第一预测疲劳断裂纹速度模型，具体包括：
基于ΔKeff和ΔKeff-msc，计算不同Δσ下疲劳短裂纹扩展速率：
da/dN＝C|ΔKeff-ΔKeff-msc|m (6)
其中C和m为拟合常数，其大小随Δσ数值大小增加而增加。
可选的，所述确定第一预测疲劳断裂纹速度模型中的拟合常数，具体包括：
将获得的不同Δσ下da/dN-ΔKeff数据在双对数坐标系中绘图，并对其按照公式(6)进行非线性曲线拟合，获得不同Δσ下对应的拟合常数C、m，后分别在双对数坐标系中绘制C-Δσ和m-Δσ并对其线性拟合，得到公式(7)和(8)：
C＝10a(Δσ)b (7)
m＝10x(Δσ)y (8)
其中a，b和x，y分别为拟合常数
可选的，利用公式(7)和(8)通过线性外推法分别获得σ0条件下所对应的拟合常数
Figure BDA0003195943610000032
和
Figure BDA0003195943610000033
最终确定公式(9)为描述材料不同应力范围条件下疲劳短裂纹V形扩展速率模型：
Figure BDA0003195943610000034
其中，应力归一化系数β为Δσ/σ0；σ0为流变应力，取材料屈服强度与抗拉强度之和的平均值。
本说明书实施例提供的一种疲劳短裂纹扩展速率预测模型的确定装置，所述装置包括：
应力实验模块，用于对材料进行不同应力范围条件下疲劳短裂纹扩展实验，记录实验数据；
第一计算模块，用于根据实验数据计算有效应力强度因子ΔKeff和疲劳短裂纹扩展速率da/dN；
第二计算模块，用于计算微观结构短裂纹长度对应的有效应力强度因子ΔKeff-msc；
模型确定模块，用于基于ΔKeff和ΔKeff-msc确定第一预测疲劳断裂纹速度模型；
常数确定模块，用于确定第一预测疲劳断裂纹速度模型中的拟合常数，带入所述第一预测疲劳断裂纹速度模型中。
本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本发明基于有效应力强度因子ΔKeff及有效应力强度因子ΔKeff-msc及Paris公式提出分段函数精准描述某种材料疲劳短裂纹V形扩展趋势，整个测试过程精度高、效率高，应用范围广，具有广阔应用前景和经济效益，海洋工程材料性能评估提供重要理论依据及实践基础。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本说明书实施例提供的一种疲劳短裂纹扩展速率预测模型的确定方法的流程示意图；
图2为实施例中所述疲劳短裂纹扩展速率-裂纹长度趋势图；
图3为实施例中材料不同应力范围下实验数据及拟合曲线；
图4为实施例中EH36钢C、m与应力范围之间的线性拟合图。
图5为本说明书实施例提供的对应于图1的一种疲劳短裂纹扩展速率预测模型的确定装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为本说明书实施例提供的一种方法的流程示意图。从程序角度而言，流程的执行主体可以为搭载于应用服务器的程序或应用客户端。
如图1所示，该流程可以包括以下步骤：
步骤110：对材料进行不同应力范围条件下疲劳短裂纹扩展实验，记录实验数据；
步骤120：根据实验数据计算有效应力强度因子ΔKeff和疲劳短裂纹扩展速率da/dN；
步骤130：计算微观结构短裂纹长度对应的有效应力强度因子ΔKeff-msc；
步骤140：基于ΔKeff和ΔKeff-msc确定第一预测疲劳断裂纹速度模型；
步骤150：确定第一预测疲劳断裂纹速度模型中的拟合常数，带入所述第一预测疲劳断裂纹速度模型中。
具体的，一种疲劳短裂纹扩展速率预测模型，可以包括以下步骤：
S1、通过公式(1)和(2)分别计算不同应力范围(Δσ)下的应力强度因子范围ΔK和有效应力强度因子范围ΔKeff，疲劳短裂纹扩展速率da/dN通过公式(3)计算：
Figure BDA0003195943610000051
其中ΔK为应力强度因子范围，Y为形状因子需按照实际试样所对应标准进行计算，Δσ为应力范围，a为表面裂纹长度；
Figure BDA0003195943610000052
其中ΔKeff为有效应力强度因子范围，σop为裂纹张开应力，σmax为最大应力，R为应力比；
Figure BDA0003195943610000061
其中ΔN为循环次数增加数值，Δa为表面裂纹增加长度，ai+1为循环次数为Ni+1时表面裂纹长度；
S2、通过公式(4)和(5)计算微观结构短裂纹长度amsc所对应的有效应力强度因子范围ΔKeff-msc；
Figure BDA0003195943610000062
其中微观结构短裂纹长度amsc的长度是通过da/dN-a趋势图定义的，amsc长度为裂纹扩展速率递减与增加的临界点，ΔKmsc为amsc对应的应力强度因子范围，Y为形状因子需按照实际试样所对应标准进行计算，Δσ为应力范围；
Figure BDA0003195943610000063
其中ΔKeff-msc为微观结构短裂纹长度amsc对应的有效应力强度因子范围，σop为裂纹张开应力，σmax为最大应力，R为应力比；
S3、基于ΔKeff和ΔKeff-msc，提出公式(6)计算不同Δσ下疲劳短裂纹扩展速率：
da/dN＝C|ΔKeff-ΔKeff-msc|m (6)
其中C和m为拟合常数，其大小随Δσ数值大小增加而增加；
S4、将获得的不同Δσ下da/dN-ΔKeff数据在双对数坐标系中绘图，并对其按照公式(6)进行非线性曲线拟合，获得不同Δσ下对应的拟合常数C、m，后分别在双对数坐标系中绘制C-Δσ和m-Δσ并对其线性拟合，得到公式(7)和(8)：
C＝10a(Δσ)b (7)
m＝10x(Δσ)y (8)
其中a，b和x，y分别为拟合常数
S5、引入应力归一化系数β，计算材料流变应力σ0，利用公式(7)和(8)通过线性外推法分别获得σ0条件下所对应的拟合常数
Figure BDA0003195943610000071
和
Figure BDA0003195943610000072
最终确定公式(9)描述材料不同应力范围条件下疲劳短裂纹V形扩展速率：
Figure BDA0003195943610000073
其中应力归一化系数β为Δσ/σ0；σ0为流变应力，取材料屈服强度与抗拉强度之和的平均值。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明基于ΔKeff及ΔKeff-msc及Paris公式提出分段函数精准描述某种材料疲劳短裂纹V形扩展趋势，整个测试过程精度高、效率高，应用范围广，具有广阔应用前景和经济效益，海洋工程材料性能评估提供重要理论依据及实践基础。
基于图1的方法，本说明书实施例还提供了该方法的一些具体实施方式，下面进行说明。
实施例1
本实施例公开了一种疲劳短裂纹扩展速率预测模型，包括以下步骤：
S1、对EH36钢进行Δσ＝160，192和106.67MPa三种不同应力范围条件下疲劳短裂纹扩展实验；
其中疲劳短裂纹长度为0-1.5mm；
通过公式(1)计算单边缺口试样的应力强度因子ΔK，后通过公式(2)消除裂纹闭合效应并获得有效应力强度因子范围ΔKeff，疲劳短裂纹扩展速率da/dN通过公式(3)计算：
Figure BDA0003195943610000074
其中应力强度因子ΔK值计算方法需按单边缺口试样所计算，Δσ为应力范围，a为表面裂纹长度，l为缺口深度，w为试样宽度；
Figure BDA0003195943610000075
其中ΔKeff为有效应力强度因子范围，σop为裂纹张开应力，σmax为最大应力，R为应力比；
Figure BDA0003195943610000081
其中ΔN为循环范围，Δa为表面裂纹增加长度，ai+1为循环次数为Ni+1时表面裂纹长度；
S2、获得如图2所示的疲劳短裂纹扩展速率-裂纹长度趋势图并寻找材料裂纹扩展速率递减与增加的临界点，即疲劳微观结构短裂纹长度amsc＝0.2mm，后通过公式(4)和(5)计算amsc所对应的ΔKeff-msc，提出基于ΔKeff和ΔKeff-msc的分段模型公式(6)计算疲劳短裂纹速率：
Figure BDA0003195943610000082
其中ΔKmsc为微观结构短裂纹长度对应的应力强度因子范围，ΔKmsc按照单边缺口SENT试样相关标准进行计算，
Figure BDA0003195943610000083
为所述SENT试样相关标准中系数方程，Δσ为应力范围，amsc为微观结构短裂纹长度，l为缺口深度，w为试样宽度，；
Figure BDA0003195943610000084
其中ΔKeff-msc为微观结构短裂纹长度对应的有效应力强度因子范围，σop为裂纹张开应力，σmax为最大应力，R为应力比；
da/dN＝C|ΔKeff-ΔKeff-msc|m (6)
其中C和m为拟合常数，其大小随应力范围数值大小增加而增加；
S3、通过公式(4)和(5)计算Δσ＝160，192和106.67MPa三种应力范围条件下所对应的ΔKeff-msc分别为14.07，17.63和11.59MPa*m0.5，通过公式(6)获得所述三种应力范围条件下基于ΔKeff和ΔKeff-msc的分段模型及其对应的拟合常数C和m，如图3及以下公式所示：
da/dN＝9.65*10-9|ΔKeff-14.07|0.388(Δσ＝160MPa)
da/dN＝1.16*10-8|ΔKeff-17.63|0.467(Δσ＝192MPa)
da/dN＝6.24*10-9|ΔKeff-11.59|0.259(Δσ＝106.67MPa)
后对不同应力范围下拟合常数C、m与应力范围大小进行线性拟合，如图4所示，得到公式(7)和(8)并通过线性外推获得EH36钢流变应力σ0＝460MPa条件下所对应
Figure BDA0003195943610000091
和
Figure BDA0003195943610000092
并引入应力归一化系数β，确定公式(9)描述EH36钢不同应力范围条件下疲劳短裂纹V形扩展速率：
C＝10-10.373(Δσ)1.058 (7)
m＝10-2.621(Δσ)1.003 (8)
Figure BDA0003195943610000093
其中公式(9)应力归一化系数β为Δσ/σ0；σ0为流变应力并取屈服强度与抗拉强度之和的平均值。
基于同样的思路，本说明书实施例还提供了上述方法对应的装置。图5为本说明书实施例提供的对应于图1的一种疲劳短裂纹扩展速率预测模型的确定装置的结构示意图。如图5所示，该装置可以包括：
应力实验模块510，用于对材料进行不同应力范围条件下疲劳短裂纹扩展实验，记录实验数据；
第一计算模块520，用于根据实验数据计算有效应力强度因子ΔKeff和疲劳短裂纹扩展速率da/dN；
第二计算模块530，用于计算微观结构短裂纹长度对应的有效应力强度因子ΔKeff-msc；
模型确定模块540，用于基于ΔKeff和ΔKeff-msc确定第一预测疲劳断裂纹速度模型；
常数确定模块550，用于确定第一预测疲劳断裂纹速度模型中的拟合常数，带入所述第一预测疲劳断裂纹速度模型中。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种疲劳短裂纹扩展速率预测模型的确定方法，其特征在于，所述方法包括：
对材料进行不同应力范围条件下疲劳短裂纹扩展实验，记录实验数据；
根据实验数据计算有效应力强度因子ΔKeff和疲劳短裂纹扩展速率da/dN；
计算微观结构短裂纹长度对应的有效应力强度因子ΔKeff-msc；
基于ΔKeff和ΔKeff-msc确定第一预测疲劳断裂纹速度模型；
确定第一预测疲劳断裂纹速度模型中的拟合常数，带入所述第一预测疲劳断裂纹速度模型中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据实验数据计算有效应力强度因子ΔKeff，具体包括：
根据实验数据计算应力强度因子ΔK；
Figure FDA0003195943600000011
其中ΔK为应力强度因子范围，Y为形状因子需按照实际试样所对应标准进行计算，Δσ为应力，a为表面裂纹长度；
根据所述应力强度因子计算有效应力强度因子ΔKeff；
Figure FDA0003195943600000012
其中ΔKeff为有效应力强度因子范围，σop为裂纹张开应力，σmax为最大应力，R为应力比。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据实验数据计算疲劳短裂纹扩展速率da/dN，具体包括：
Figure FDA0003195943600000013
其中，ΔN为循环次数增加数值，Δa为表面裂纹增加长度，ai+1为循环次数为Ni+1时表面裂纹长度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算微观结构短裂纹长度对应的有效应力强度因子ΔKeff-msc，具体包括：
根据应力Δσ和微观结构短裂纹长度计算微观结构短裂纹长度amsc所对应的应力强度因子ΔKmsc；
根据ΔKmsc微观结构短裂纹长度amsc对应的有效应力强度因子ΔKeff-msc。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，
Figure FDA0003195943600000021
其中，微观结构短裂纹长度amsc的长度是通过da/dN-a趋势图定义的，amsc为裂纹扩展速率递减与增加的临界点，ΔKmsc为amsc对应的应力强度因子，Y为形状因子需按照实际试样所对应标准进行计算，Δσ为应力。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，
Figure FDA0003195943600000022
其中，ΔKeff-msc为微观结构短裂纹长度amsc对应的有效应力强度因子范围，σop为裂纹张开应力，σmax为最大应力，R为应力比。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于ΔKeff和ΔKeff-msc确定第一预测疲劳断裂纹速度模型，具体包括：
基于ΔKeff和ΔKeff-msc，计算不同Δσ下疲劳短裂纹扩展速率：
da/dN＝C|ΔKeff-ΔKeff-msc|m (6)
其中C和m为拟合常数，其大小随Δσ数值大小增加而增加。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定第一预测疲劳断裂纹速度模型中的拟合常数，具体包括：
将获得的不同Δσ下da/dN-ΔKeff数据在双对数坐标系中绘图，并对其按照公式(6)进行非线性曲线拟合，获得不同Δσ下对应的拟合常数C、m，后分别在双对数坐标系中绘制C-Δσ和m-Δσ并对其线性拟合，得到公式(7)和(8)：
C＝10a(Δσ)b (7)
m＝10x(Δσ)y (8)
其中a，b和x，y分别为拟合常数。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用公式(7)和(8)通过线性外推法分别获得σ0条件下所对应的拟合常数Cσ0和mσ0，最终确定公式(9)为描述材料不同应力范围条件下疲劳短裂纹V形扩展速率模型：
Figure FDA0003195943600000031
其中，应力归一化系数β为Δσ/σ0；σ0为流变应力，取材料屈服强度与抗拉强度之和的平均值。
10.一种疲劳短裂纹扩展速率预测模型的确定装置，其特征在于，所述装置包括：
应力实验模块，用于对材料进行不同应力范围条件下疲劳短裂纹扩展实验，记录实验数据；
第一计算模块，用于根据实验数据计算有效应力强度因子ΔKeff和疲劳短裂纹扩展速率da/dN；
第二计算模块，用于计算微观结构短裂纹长度对应的有效应力强度因子ΔKeff-msc；
模型确定模块，用于基于ΔKeff和ΔKeff-msc确定第一预测疲劳断裂纹速度模型；
常数确定模块，用于确定第一预测疲劳断裂纹速度模型中的拟合常数，带入所述第一预测疲劳断裂纹速度模型中。
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