一种几何不连续结构的疲劳寿命预测方法技术

本发明专利技术提供一种几何不连续结构的疲劳寿命预测方法，包括步骤：建立几何连续的第一有限元模型，定义晶体塑性本构方程，以此得到材料在给定的循环载荷条件下的应力应变关系；进行单轴拉伸试验和单轴疲劳试验，得到拉伸曲线和迟滞回线；通过试参法拟合获得拉伸曲线和迟滞回线，获取晶体塑性本构方程所需的材料参数和疲劳塑性滑移临界值；建立几何不连续结构的第二有限元模型，获取每个循环周次的应力应变关系和单周疲劳塑性滑移值；计算得到缺口试样的裂纹萌生寿命。本发明专利技术的几何不连续结构的疲劳寿命预测方法，能够更好地实现几何不连续结构不同温度的疲劳分析，还能准确的预测裂纹萌生位置，具有直观、适用性强、精确度高的优点。

A prediction method of fatigue life for geometrically discontinuous structures

【技术实现步骤摘要】
一种几何不连续结构的疲劳寿命预测方法
本专利技术涉及含缺口结构的寿命预测领域，尤其涉及一种基于ABAQUS的疲劳寿命预测方法。
技术介绍
在航空发动机制造过程中，由于加工条件、制造工艺和安装条件等客观原因的存在，涡轮盘等重要零件在安装过程中不可避免地存在一些表面微缺陷。此外，在飞机运行过程中，空气中悬浮固体的冲击也会对发动机叶片和涡轮盘等重要部件造成严重损坏。正是由于这些微缺陷和小缺口的存在，加速了航空发动机涡轮盘、叶片等重要部件的疲劳裂纹萌生，降低了发动机部件的疲劳寿命。因此，为了保证经济性和安全性，在发动机零部件存在缺陷的前提下，准确评估发动机构件的正常使用寿命是非常重要的。近些年，有限元软件的发展可以很好地满足人们对于复杂应力应变行为的理解以及提供了该状态下精确寿命预测的可行性。ABAQUS有限元商业软件不仅可以分析复杂的固定力学和结构力学系统，还可以通过强大的二次开发接口补充ABAQUS前后处理模块中不完善的功能。其中，基于FORTRAN语言的用户自定义的子程序扩展了ABAQUS在本构方程的应用，并实现了损伤评估、寿命预测等方面的功能。与现有的ABAQUS软件自带的处理模块相比，基于Fortran语言改编的用户自定义子程序，可以更好的根据自己的材料或者需求，来编译所需的本构模型。现今针对复杂结构的疲劳分析及寿命预测的主要能够描述包含裂纹萌生和扩展阶段的连续损伤力学理论，其通过损伤变量引入统一的疲劳本构的方式描述材料在循环载荷下损伤累积直至断裂的过程。这类方法侧重于描述裂纹扩展阶段的疲劳行为，其编程复杂、收敛性差、计算成本高等特点决定了这类方法不具有很强的普适性，此外，这种方法针对宏观层面构件，对微观层面的应力应变响应以及机理分析并不准确。由于裂纹的萌生，通常是从微观层次上产生的。因此，如何更有效的评估裂纹萌生寿命，并分析裂纹萌生的原因，是非常重要的。
技术实现思路
针对上述现有技术中的不足，本专利技术提供一种几何不连续结构的疲劳寿命预测方法，能够更好地实现几何不连续结构的疲劳分析，具有直观、适用性强、精确度高的优点。为了实现上述目的，本专利技术提供一种几何不连续结构的疲劳寿命预测方法，其包括以下步骤：S1：建立一个几何连续且包含所述几何不连续结构的材料的多个晶粒的第一ABAQUS有限元模型，并通过用户子程序UMAT定义所述材料在循环载荷的单轴疲劳试验的过程中的晶体塑性本构方程，以此得到所述材料在给定的循环载荷条件下的应力应变关系；S2：对所述几何不连续结构的材料在同一温度下进行单轴拉伸试验以及不同应变幅的单轴疲劳试验，得到拉伸曲线和迟滞回线；S3：建立疲劳损伤计算模型，通过试参法拟合获得所述第一ABAQUS有限元模型的拉伸曲线和迟滞回线，进而获取所述晶体塑性本构方程所需的材料参数和疲劳塑性滑移临界值；S4：建立所述几何不连续结构的第二ABAQUS有限元模型，并结合所述步骤S1的用户子程序UMAT和所述步骤S3的材料参数和疲劳塑性滑移临界值，采用ABAQUS软件来模拟循环载荷的单轴疲劳试验，得到每个循环周次的应力应变关系和单周疲劳塑性滑移值；S5：结合所述步骤S3的疲劳塑性滑移临界值和所述步骤S4的单周疲劳塑性滑移值，计算得到缺口试样的裂纹萌生寿命。进一步地，在所述步骤S1中，所述晶体塑性本构方程包括主控方程，滑移流动准则方程以及背应力演化方程。进一步地，所述步骤S1包括：S11：建立晶体塑性本构方程中的所述几何不连续结构的材料的变形梯度F和变形速率梯度L的主控方程，所述几何不连续结构的材料的变形梯度F和变形速率梯度L的主控方程为：F＝Fe·Fp，L＝Le+Lp，其中，F为总变形梯度，Fe为弹性变形梯度，Fp为非弹性变形梯度，L为变形速率梯度，Le为弹性变形速率梯度，Lp为非弹性变形速率梯度，为第α滑移系的塑性滑移速率，sα为第α滑移系的滑移方向向量，mα为第α滑移系的法向方向向量；S12：建立晶体塑性本构方程中的滑移流动准则方程，滑移流动准则方程为：其中，为参考塑性滑移率，F0为热激活自由能，k为玻尔兹曼常数，θ为绝对温度，τα第α滑移系的分解剪切应力，σ为应力值；Bα为第α滑移系的背应力，μ和μ0分别是θ和0K时的剪切模量，τ0、p、q为材料常数，Sα为第α滑移系的滑移阻力，hs和dD分别为静态硬化和动态恢复模量，为第α滑移系的初始滑移阻力；S13：建立晶体塑性本构方程中的背应力非弹性随动强化方程，所述背应力非弹性随动强化方程为：其中，hB为背应力硬化常数，rD为滑移阻力相关动态回复系数，fc是内部变量相关的耦合参数，μ0′是在0K时的局部滑移剪切模量，λ为材料常数。进一步地，在所述步骤S2中，所述单轴拉伸试验和单轴疲劳试验所采用的试样的形状与所述步骤S1中的第一ABAQUS有限元模型的形状相同。进一步地，在所述步骤S3中，所述疲劳损伤计算模型根据所述步骤S1中的第一ABAQUS有限元模型和晶体塑性本构方程建立。进一步地，在所述步骤S3中，所述疲劳塑性滑移临界值Pcrit为：其中，Lp为非弹性变形速率梯度，Pcrit为疲劳塑性滑移临界值。进一步地，在所述步骤S4中，在模拟循环载荷的单轴疲劳试验时，其计算公式采用所述步骤S1中的用户子程序UMAT所定义的晶体塑性本构方程，且所施加的循环载荷与所述步骤S2单轴疲劳实验的载荷相同。进一步地，所述步骤S4还包括：在建立所述几何不连续结构的第二ABAQUS有限元模型后，施加合理的边界条件和外部载荷，划分模型网格。进一步地，在所述步骤S5中，所述裂纹萌生寿命为：其中，Ni为疲劳萌生寿命，Pcrit为疲劳塑性滑移临界值，Pcyc为单周疲劳塑性滑移值。本专利技术利用疲劳塑性滑移临界值Pcrit作为疲劳指示因子，，可以将微观尺度的参数用做损伤参量来进行寿命的评估，这种方法的好处在于微观尺度上的预测。不仅可以预测寿命，还能够获得每个循环周次中的塑性滑移损伤积累图，由此预测裂纹萌生的位置。本专利技术的几何不连续结构的疲劳寿命预测方法所采用的用户子程序UMAT中的晶体塑性本构基于经典晶体塑性理论，能够得到几何不连续结构在疲劳载荷作用下的应力应变行为，且其采用的滑移流动准则方程是一种温度相关的幂指数型滑移流动准则，这样不仅可以模拟常温，也可以模拟高温，可以用来描述不同温度状态的力学行为，从而使得本专利技术的几何不连续结构的疲劳寿命预测方法能够预测高温下的结构寿命。本专利技术采用ABAQUS有限元模型，具有很强的直观性，可以直观地获得几何不连续结构的裂纹萌生位置和并预测该位置的裂纹萌生寿命。附图说明图1为根据本专利技术的一个实施例的几何不连续结构的疲劳寿命预测方法的流程图；图2为根据本专利技术的一个实施例的几何不连续结构的疲劳寿命预测方法的第一ABAQUS有限元模型的示意图；...

【技术保护点】
1.一种几何不连续结构的疲劳寿命预测方法，其特征在于，其包括以下步骤：/nS1：建立一个几何连续且包含所述几何不连续结构的材料的多个晶粒的第一ABAQUS有限元模型，并通过用户子程序UMAT定义所述材料在循环载荷的单轴疲劳试验的过程中的晶体塑性本构方程，以此得到所述材料在给定的循环载荷条件下的应力应变关系；/nS2：对所述几何不连续结构的材料在同一温度下进行单轴拉伸试验以及不同应变幅的单轴疲劳试验，得到拉伸曲线和迟滞回线；/nS3：建立疲劳损伤计算模型，通过试参法拟合获得所述第一ABAQUS有限元模型的拉伸曲线和迟滞回线，进而获取所述晶体塑性本构方程所需的材料参数和疲劳塑性滑移临界值；/nS4：建立所述几何不连续结构的第二ABAQUS有限元模型，并结合所述步骤S1的用户子程序UMAT和所述步骤S3的材料参数和疲劳塑性滑移临界值，采用ABAQUS软件来模拟循环载荷的单轴疲劳试验，得到每个循环周次的应力应变关系和单周疲劳塑性滑移值；/nS5：结合所述步骤S3的疲劳塑性滑移临界值和所述步骤S4的单周疲劳塑性滑移值，计算得到缺口试样的裂纹萌生寿命。/n

【技术特征摘要】
1.一种几何不连续结构的疲劳寿命预测方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1：建立一个几何连续且包含所述几何不连续结构的材料的多个晶粒的第一ABAQUS有限元模型，并通过用户子程序UMAT定义所述材料在循环载荷的单轴疲劳试验的过程中的晶体塑性本构方程，以此得到所述材料在给定的循环载荷条件下的应力应变关系；
S2：对所述几何不连续结构的材料在同一温度下进行单轴拉伸试验以及不同应变幅的单轴疲劳试验，得到拉伸曲线和迟滞回线；
S3：建立疲劳损伤计算模型，通过试参法拟合获得所述第一ABAQUS有限元模型的拉伸曲线和迟滞回线，进而获取所述晶体塑性本构方程所需的材料参数和疲劳塑性滑移临界值；
S4：建立所述几何不连续结构的第二ABAQUS有限元模型，并结合所述步骤S1的用户子程序UMAT和所述步骤S3的材料参数和疲劳塑性滑移临界值，采用ABAQUS软件来模拟循环载荷的单轴疲劳试验，得到每个循环周次的应力应变关系和单周疲劳塑性滑移值；
S5：结合所述步骤S3的疲劳塑性滑移临界值和所述步骤S4的单周疲劳塑性滑移值，计算得到缺口试样的裂纹萌生寿命。


2.根据权利要求1所述的几何不连续结构的疲劳寿命预测方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述晶体塑性本构方程包括主控方程，滑移流动准则方程以及背应力演化方程。


3.根据权利要求2所述的几何不连续结构的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S11：建立晶体塑性本构方程中的所述几何不连续结构的材料的变形梯度F和变形速率梯度L的主控方程，所述几何不连续结构的材料的变形梯度F和变形速率梯度L的主控方程为：
F＝Fe·Fp，
L＝Le+Lp，



其中，F为总变形梯度，Fe为弹性变形梯度，Fp为非弹性变形梯度，L为变形速率梯度，Le为弹性变形速率梯度，Lp为非弹性变形速率梯度，为第α滑移系的塑性滑移速率，sα为第α滑移系的滑移方向向量，mα为第α滑移系的法向方向向量；
S12：建立晶体塑性本构方程中的滑移流动准则方程，滑移流动准则方程为：









其中，为参考塑性滑移率，F0为热激活自由能，k为玻尔兹曼常数...

【专利技术属性】
技术研发人员：张显程，苑光健，王润梓，涂善东，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31