基于裂纹扩展熵的金属材料疲劳裂纹扩展寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于裂纹扩展熵的金属材料疲劳裂纹扩展寿命预测方法，包括：定义局部区域为热力学系统；获取初始裂纹长度下裂纹尖端塑性区内应力张量、应变张量和温度演化数据，计算时间熵产率、循环熵产率；将裂纹扩展Δa裂纹长度增量或ΔN循环寿命增量；计算裂纹扩展后裂纹尖端塑性区的循环熵产率；重复实施裂纹扩展过程及相应计算，直至发生断裂失效或裂纹扩展至给定长度；建立循环熵产率与循环寿命函数关系，计算裂纹扩展不同时刻的裂纹扩展熵；构建熵产

【技术实现步骤摘要】
基于裂纹扩展熵的金属材料疲劳裂纹扩展寿命预测方法


[0001]本专利技术涉及金属材料裂纹扩展寿命分析，尤其涉及一种基于裂纹扩展熵的金属材料疲劳裂纹扩展寿命预测方法。

技术介绍

[0002]循环载荷引起的结构疲劳是工程结构中最常见的失效形式之一，疲劳的本质是不可逆的热力学耗散过程，在该过程中金属材料的结构损伤随着循环载荷的持续加载而不断累积，直到结构发生断裂失效。金属材料疲劳损伤累积过程中，机械能的输入引发不可逆能量耗散，使得热力学系统不可逆性增大，而损伤累积过程的不可逆性可以通过热力学熵产进行量化。因此，热力学熵产可作为材料疲劳损伤的度量指标。
[0003]目前，基于热力学熵产理论进行疲劳问题研究的思路得到了学者们的广泛关注。然而，现有相关研究主要聚焦在断裂失效寿命研究，特别是裂纹萌生寿命分析，而极少关注裂纹扩展阶段的寿命预测。现有基于热力学熵产的裂纹萌生寿命研究主要分为两类：一类是在疲劳试验过程中测量疲劳试样的宏观温度场演化，间接表征裂纹萌生阶段的熵产数据，并基于热力学熵产进行裂纹萌生寿命分析；另一类是通过读取载荷加载设备上的名义应力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于裂纹扩展熵的金属材料疲劳裂纹扩展寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将包含裂纹本身和裂纹尖端塑性区可能途径位置的局部区域定义为热力学系统；步骤2：经由理论分析、仿真模拟或实验，获取金属材料初始裂纹长度下经受循环载荷作用时裂纹尖端塑性区内应力张量、应变张量和温度演化数据，并基于应力张量、应变张量和温度演化数据计算裂纹尖端塑性区内时间熵产率、循环熵产率；步骤3：经由理论分析、仿真模拟或实验，将裂纹扩展Δa裂纹长度增量或ΔN循环寿命增量，并确定该段裂纹扩展对应的ΔN循环寿命增量或Δa裂纹长度增量；步骤4：裂纹扩展Δa裂纹长度增量或ΔN循环寿命增量后，获取金属材料经受循环载荷作用时裂纹尖端塑性区内应力张量、应变张量和温度演化数据，计算该裂纹长度对应的裂纹尖端塑性区时间熵产率、循环熵产率；步骤5：重复实施步骤3～4，直至金属材料发生断裂失效或裂纹扩展至某一给定长度；步骤6：结合裂纹扩展至各裂纹长度时的循环寿命增量数据，整体建立或分段建立循环熵产率与循环寿命函数关系，对循环熵产率求和或积分以计算裂纹扩展不同时刻的裂纹扩展熵；步骤7：基于裂纹扩展熵构建金属材料裂纹扩展过程的熵产
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损伤参量，建立熵产
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损伤参量与寿命消耗的演化规律，基于熵产
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损伤参量与寿命消耗的演化规律进行金属材料的裂纹扩展寿命预测。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1，整个裂纹扩展过程中裂纹本身、裂纹尖端塑性区始终保持在所选择的热力学系统内。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2、4中应力张量、应变张量和温度演化数据，可采用理论公式计算、数值仿真模拟或疲劳实验中任一方法或其中几种方法的组合，获取循环载荷加载条件下，金属材料裂纹尖端塑性区内的应力张量、应变张量和温度演化数据。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2、4中时间熵产率，基于所获得的应力张量、应变张量和温度演化数据，经由热力学理论分析推导，采用以下公式计算裂纹尖端塑性区内微元的单位体积时间熵产率：其中，为时间熵产率，σ、T分别为应力张量、应变张量变化率和温度，且应力张量、应变张量变化率的数学形式在三维裂纹扩展问题和二维裂纹扩展问题中不同。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2、4中循环熵产率，通过选取一个或多个载荷循环，将时间熵产率在所选载荷循环数对应的加载时间上进行体积分或面积分，并将该积分值对所选载荷循环数取平均值，获得单位体积的循环熵产率：其中，dω表示时间熵产率所对应的微元体积或微元面积，Ω表示裂纹尖端塑性区的
体积或面积，为循环熵产率，表示单个载荷循环内的比体积熵产，n与t(n)分别表示所选取的载荷循环数及对应的加载时间，其中n取正整数。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3，采用理论公式计...

【专利技术属性】
技术研发人员：李果，丁水汀，左亮亮，夏舒洋，李振磊，刘晓静，邱天，包绍宸，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：