CN115358021A - 一种带缺陷构件寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带缺陷构件寿命预测方法，包括计算缺陷处应力；建立数值模型，设置初始裂纹长度和裂纹临界最终长度，并划分裂纹尖端网格；计算裂纹扩展过程中裂纹尖端每个节点的扩展角和局部扩展位移；更新数值模型，并确定裂纹尖端节点数量；对所有裂纹尖端节点的扩展距离进行加权平均光滑处理，得到裂纹扩展长度；判断裂纹扩展长度是否小于裂纹临界最终长度；当裂纹扩展长度达到裂纹临界最终长度时根据裂纹扩展长度和裂纹扩展过程的循环周次构建裂纹扩展位移与循环周次函数关系；根据裂纹扩展位移与循环周次函数关系预测带缺陷构件寿命。本发明提高了寿命可靠性评估的全面性和准确性，可以有效地降低实际试验次数，提高研究效率。

Description

一种带缺陷构件寿命预测方法

技术领域

本发明涉及带缺陷构件裂纹扩展行为监测技术领域，具体涉及一种带缺陷构件寿命预测方法。

背景技术

材料塑性失效时，裂纹扩展行为直接决定最终寿命。裂纹扩展由于其隐蔽性和随机性易受到载荷和材料微观结构的影响。导致对其无法准确进行定量描述和刻画，这也影响到寿命预测，也是制约材料服役可靠性核心问题之一。

带缺陷构件裂纹扩展行为监测，目前没有可行与可靠的方法进行测试，因此极大地阻碍寿命评估研究，导致无法快速响应带缺陷构件服役可靠性要求。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种带缺陷构件寿命预测方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种带缺陷构件寿命预测方法，包括以下步骤：

S1、根据带缺陷构件的缺陷几何特征，计算缺陷处应力和缺陷几何系数；

S2、根据缺陷几何特征建立数值模型，设置初始裂纹长度和裂纹临界最终长度，并划分裂纹尖端网格；

S3、根据缺陷处应力和缺陷几何系数计算裂纹扩展过程中裂纹尖端每个节点的扩展角和局部扩展位移；

S4、根据裂纹尖端每个节点的扩展角和局部扩展位移更新数值模型，并确定裂纹尖端节点数量；

S5、对所有裂纹尖端节点的扩展距离进行加权平均光滑处理，得到裂纹扩展长度；

S6、判断裂纹扩展长度是否小于裂纹临界最终长度；若是，则跳转至步骤S3；否则跳转至步骤S7；

S7、根据裂纹扩展长度和裂纹扩展过程的循环周次生成裂纹扩展长度与循环周次曲线；

S8、根据裂纹扩展长度与循环周次曲线构建预测带缺陷构件寿命预测模型，对带缺陷构件寿命进行预测。

可选地，步骤S1具体包括：

定义带缺陷构件的缺陷几何特征，所述缺陷几何特征包括缺陷的长度和宽度；

根据带缺陷构件的缺陷几何特征计算缺陷处应力和缺陷几何系数。

可选地，所述缺陷处应力的计算方式为：

其中，σ_d为缺陷处应力，σ为施加的载荷，a为缺陷的长度，b为缺陷的宽度。

可选地，所述缺陷几何系数的计算方式为：

其中，r为缺陷几何系数，a为缺陷的长度，b为缺陷的宽度。

可选地，步骤S3中裂纹尖端每个节点的扩展角的计算方式为：

其中，θ_j表示第j个裂纹尖端节点的扩展角，K_I,K_II分别表示缺陷处Ⅰ型和Ⅱ型裂纹应力强度因子，其计算方式为：

其中，η为Ⅰ型和Ⅱ型裂纹对应载荷换算系数，r为缺陷几何系数，a为缺陷的长度，σ_d为缺陷处应力。

可选地，步骤S3中裂纹尖端每个节点的局部扩展位移的计算方式为：

其中，da为裂纹尖端每个节点的局部扩展位移，ΔK为裂纹尖端每个节点的应力强度范围，M为与缺陷几何系数和材料相关的参数，

r为缺陷几何系数，α为材料常数，dN为循环周次。

可选地，所述带缺陷构件寿命预测模型具体为：

其中，da为裂纹尖端每个节点的局部扩展位移，

ΔK_r为缺陷处应力强度范围，ΔK为裂纹尖端每个节点的应力强度范围，

r为缺陷几何系数，α为材料常数，ΔN为循环周次范围。

本发明具有以下有益效果：

本发明针对带缺陷构件，先确定缺陷几何形貌与应力集中程度，再计算扩展方向，获得扩展距离，定义了裂纹扩展位移与循环周次函数关系，最终实现对寿命预测评估，提高了寿命可靠性评估的全面性和准确性，可以有效地降低实际试验次数，提高研究效率，获得与寿命评估模型，为研究材料裂纹扩展、损伤演化和寿命评估提供了重要的理论指导和技术支撑，具有重要的科学意义和工程应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例中一种带缺陷构件寿命预测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，本发明实施例提供了一种带缺陷构件寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤S1至S8：

S1、根据带缺陷构件的缺陷几何特征，计算缺陷处应力和缺陷几何系数；

在本发明的一个可选实施例中，步骤S1具体包括：

定义带缺陷构件的缺陷几何特征，所述缺陷几何特征包括缺陷的长度和宽度；

根据带缺陷构件的缺陷几何特征计算缺陷处应力和缺陷几何系数。

具体而言，本发明定义带缺陷构件的缺陷几何尺寸为缺陷几何特征，并且缺陷为平面裂纹，缺陷几何尺寸包括长度a和宽度b。

由于缺陷的存在使应力在此处不连续，产生应力集中，最终导致裂纹萌生和扩展，因此本发明根据带缺陷构件的缺陷几何尺寸计算缺陷处应力和缺陷几何系数，计算方式为

其中，σ_d为缺陷处应力，σ为施加的载荷，a为缺陷的长度，b为缺陷的宽度，r为缺陷几何系数，取值范围(0,1)。

S2、根据缺陷几何特征建立数值模型，设置初始裂纹长度和裂纹临界最终长度，并划分裂纹尖端网格；

在本发明的一个可选实施例中，本发明基于断裂力学应用有限元方法，根据缺陷几何特征建立数值模型，设置初始裂纹长度，并划分裂纹尖端网格确定裂纹尖端数量，裂纹尖端节点数量定义为n；并设置裂纹扩展最终长度，作为计算停止条件。

其中数值模型是指用于有限元计算的数值模型，其建立过程为：根据模型外观尺寸建立CAD几何模型，然后导入有限元计算平台划分网格并施加加载过程边界条件参数(包括加载载荷、时间、约束条件等)，为后期裂纹扩展计算提供模型和载荷边界参数。

S3、根据缺陷处应力和缺陷几何系数计算裂纹扩展过程中裂纹尖端每个节点的扩展角和局部扩展位移；

在本发明的一个可选实施例中，本发明根据裂纹尖端网格确定裂纹尖端节点数量，并根据最大环向拉应力强度理论计算裂纹尖端各个节点的扩展角，计算方式为：

其中，θ_j表示第j个裂纹尖端节点的扩展角，0<j≤n；K_I,K_II分别表示缺陷处Ⅰ型和Ⅱ型裂纹应力强度因子，其计算方式为：

其中，η为Ⅰ型和Ⅱ型裂纹对应载荷换算系数，其取值范围为0.6-1.0；r为缺陷几何系数，a为缺陷的长度，σ_d为缺陷处应力。

本发明首先通过标准CT试件的裂纹扩展试验确定材料裂纹扩展Pair’s区域基本扩展参数，即C和m，为下一步扩展计算提供材料本构参数。

然后计算设定载荷和循环周次的裂纹尖端每个节点的局部扩展位移，计算方式为：

其中，da为裂纹尖端每个节点的局部扩展位移，ΔK为裂纹尖端每个节点的应力强度范围，M为与缺陷几何系数和材料相关的参数，

r为缺陷几何系数，α为材料常数，dN为循环周次。

S4、根据裂纹尖端每个节点的扩展角和局部扩展位移更新数值模型，并确定裂纹尖端节点数量；

在本发明的一个可选实施例中，本发明根据计算的裂纹尖端每个节点的扩展距离和扩展角，确定新模型裂纹尖端节点坐标，并更新数值模型，完成新建立的扩展距离网格，定义新裂纹尖端节点数量为n，与扩展前保持不变。

S5、对所有裂纹尖端节点的扩展距离进行加权平均光滑处理，得到裂纹扩展长度；

在本发明的一个可选实施例中，本发明提取裂纹扩展过程中裂纹尖端的所有节点的局部扩展位移，并进行加权平均光滑处理，计算方式为

其中，a_f表示第f次循环周次的裂纹扩展长度，da_j表示第j个裂纹尖端节点的局部扩展位移，n表示裂纹尖端节点的数量。

S6、判断裂纹扩展长度是否小于裂纹临界最终长度；若是，则跳转至步骤S3；否则跳转至步骤S7；

在本发明的一个可选实施例中，本发明将步骤S5完成的裂纹扩展长度与设置的裂纹临界最终长度进行对比，若小于裂纹临界最终长度则裂纹继续扩展，跳转至步骤S3继续开始计算裂纹尖端每个节点的扩展角和局部扩展位移；若大于裂纹临界扩展长度则裂纹扩展停止，跳转至步骤S7。

S7、根据裂纹扩展长度和裂纹扩展过程的循环周次生成裂纹扩展长度与循环周次曲线；

在本发明的一个可选实施例中，本发明根据计算的裂纹扩展长度a_f和裂纹扩展过程的循环周次dN，生成裂纹扩展长度与循环周次曲线，完成指定循环周次裂纹扩展计算。

S8、根据裂纹扩展长度与循环周次曲线构建预测带缺陷构件寿命预测模型，对带缺陷构件寿命进行预测。

在本发明的一个可选实施例中，上述裂纹扩展模型和计算方法的建立，得到了裂纹扩展长度与循环周次曲线，可以定量获得预期循环周次和载荷下裂纹扩展量与循环周次的函数关系，为寿命预测模型构建提供基础数据和科学依据。

本发明通过对裂纹扩展长度与循环周次的函数关系进行积分变换，构建预测带缺陷构件寿命预测模型具体为：

其中，da为裂纹尖端每个节点的局部扩展位移，

ΔK_r为缺陷处应力强度范围，ΔK为裂纹尖端每个节点的应力强度范围，

r为缺陷几何系数，α为材料常数，ΔN为循环周次范围。循环周次范围ΔN即为预测的带缺陷构件寿命。

本发明解决了无法定量并直观计算带缺陷构件裂纹扩展行为，并在此基础上对寿命进行了评估，提供了更全面、更准确和革新的计算流程和计算算法。本发明提出的带缺陷构件裂纹扩展与寿命评估模型，是基于材料测试结果，具有良好的兼容性和可移植性。此外，本发明构建的带缺陷裂纹扩展计算流程，即先确定缺陷几何形貌与应力集中程度，再计算扩展方向，获得扩展距离，定义了裂纹扩展位移与循环周次函数关系，最终实现对寿命预测评估。本发明为带缺陷构件研究裂纹扩展和寿命评估提供了重要的理论指导和技术支撑，具有重要的科学意义和工程应用价值。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种带缺陷构件寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据带缺陷构件的缺陷几何特征，计算缺陷处应力和缺陷几何系数；

S2、根据缺陷几何特征建立数值模型，设置初始裂纹长度和裂纹临界最终长度，并划分裂纹尖端网格；

S3、根据缺陷处应力和缺陷几何系数计算裂纹扩展过程中裂纹尖端每个节点的扩展角和局部扩展位移；

S4、根据裂纹尖端每个节点的扩展角和局部扩展位移更新数值模型，并确定裂纹尖端节点数量；

S5、对所有裂纹尖端节点的扩展距离进行加权平均光滑处理，得到裂纹扩展长度；

S6、判断裂纹扩展长度是否小于裂纹临界最终长度；若是，则跳转至步骤S3；否则跳转至步骤S7；

S7、根据裂纹扩展长度和裂纹扩展过程的循环周次生成裂纹扩展长度与循环周次曲线；

S8、根据裂纹扩展长度与循环周次曲线构建预测带缺陷构件寿命预测模型，对带缺陷构件寿命进行预测。

2.根据权利要求1所述的一种带缺陷构件寿命预测方法，其特征在于，步骤S1具体包括：

定义带缺陷构件的缺陷几何特征，所述缺陷几何特征包括缺陷的长度和宽度；

根据带缺陷构件的缺陷几何特征计算缺陷处应力和缺陷几何系数。

3.根据权利要求2所述的一种带缺陷构件寿命预测方法，其特征在于，所述缺陷处应力的计算方式为：

其中，σ_d为缺陷处应力，σ为施加的载荷，a为缺陷的长度，b为缺陷的宽度。

4.根据权利要求2所述的一种带缺陷构件寿命预测方法，其特征在于，所述缺陷几何系数的计算方式为：

其中，r为缺陷几何系数，a为缺陷的长度，b为缺陷的宽度。

5.根据权利要求1所述的一种带缺陷构件寿命预测方法，其特征在于，步骤S3中裂纹尖端每个节点的扩展角的计算方式为：

其中，θ_j表示第j个裂纹尖端节点的扩展角，K_I,K_II分别表示缺陷处Ⅰ型和Ⅱ型裂纹应力强度因子，其计算方式为：

其中，η为Ⅰ型和Ⅱ型裂纹对应载荷换算系数，r为缺陷几何系数，a为缺陷的长度，σ_d为缺陷处应力。

6.根据权利要求1所述的一种带缺陷构件寿命预测方法，其特征在于，步骤S3中裂纹尖端每个节点的局部扩展位移的计算方式为：

其中，da为裂纹尖端每个节点的局部扩展位移，ΔK为裂纹尖端每个节点的应力强度范围，M为与缺陷几何系数和材料相关的参数，

r为缺陷几何系数，α为材料常数，dN为循环周次。

7.根据权利要求1所述的一种带缺陷构件寿命预测方法，其特征在于，所述带缺陷构件寿命预测模型具体为：

其中，da为裂纹尖端每个节点的局部扩展位移，

ΔK_r为缺陷处应力强度范围，ΔK为裂纹尖端每个节点的应力强度范围，

r为缺陷几何系数，α为材料常数，ΔN为循环周次范围。

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