基于紧凑拉伸-剪切试样的疲劳裂纹扩展方向、长度及速率计算方法技术

本发明专利技术涉及一种基于紧凑拉伸

【技术实现步骤摘要】
基于紧凑拉伸
‑
剪切试样的疲劳裂纹扩展方向、长度及速率计算方法


[0001]本专利技术属于力学与材料测试
，具体涉及一种基于紧凑拉伸
‑
剪切试样的疲劳裂纹扩展方向、长度及速率计算方法。

技术介绍

[0002]疲劳断裂是工程结构或部件失效的重要形式之一。原材料的生产和部件的加工组装过程中不可避免地引入缺陷，这些缺陷往往取向随机，在复杂多轴交变载荷下面临着萌生和进一步扩展的风险。因此研究材料在I&II型复合断裂模式下的疲劳裂纹扩展行为有着重大的工程意义。针对这一研究课题所开发的试验方法中，紧凑拉伸
‑
剪切试验的应用最为广泛。它通过单轴加载即可在试样裂纹尖端同时产生张开(I型)和面内剪切(II型)的组合变形，并且通过转换加载角度能够实现从纯I型到纯II型的全范围的复合。
[0003]为了评估裂纹的扩展行为，需要实时准确测量裂纹路径和裂尖位置。紧凑拉伸
‑
剪切试样中包含一条平直的初始单边缺口/裂纹，在特定的加载角度下新形成的裂纹面会与初始裂纹面形成一定的夹角，这意味着I&II型复合模式下的裂纹无法保持“自相似”式扩展。而对于该扩展方向的计算，需要首先得到启裂之前裂纹尖端的应力参数包括应力强度因子KI、KII等，再将这些特定的参数带入到众多的断裂准则中去求解，其流程复杂尚且没有易于应用的公式化的结论。
[0004]此外，偏折的裂纹无疑模糊了整体裂纹长度的概念，同时也增大了裂纹扩展长度的测量难度。在材料纯I型疲劳裂纹扩展速率的测定流程中，相关标准给出了成熟和完善的裂纹长度测量方法，包括光学法和非光学法两类。然而对于复合加载下的偏折裂纹，光学法仍然占据主流。早期研究人员应用螺纹传动的显微镜目测表面裂纹长度，如今电子成像特别是数字图像相关技术得到了越来越多的应用。光学法的局限性在于，一方面会使得试验系统更加复杂，不便应用于高温、含水介质等特殊环境；另一方面对于较厚的试样，仅通过观察表面确定的裂纹长度与实际厚度方向上的平均裂纹长度之间存在较大的误差；而非光学法在某种程度上可以克服该不足。柔度法作为非光学法中的重要一类，有着准确计算紧凑拉伸
‑
剪切试验中偏折裂纹扩展长度的潜力，因此有必要完善相应的测量方法。
[0005]紧凑拉伸
‑
剪切试验尚未实现标准化，相关裂纹驱动力的表达式也并不完善。例如，描述应力强度因子KI和KII的经典表达式是针对平面状态下含初始平直裂纹的试样发展而来的，并未考虑裂纹的实际偏折。有学者证实，即使采用某些等效方式，将该式用于表征裂纹扩展速率也会产生较大的误差。而当前考虑裂纹偏折的KI和KII表达式却并未建立起加载条件
‑
试样几何与偏折方向之间的对应关系，其形式复杂且应用受限。因此亟需采用数值分析方法，将加载角度、试样几何尺寸、裂纹扩展方向等均纳入考量，发展适用于含偏折扩展裂纹紧凑拉伸
‑
剪切试样的应力强度因子计算公式，以期准确表征含偏折裂纹紧凑拉伸
‑
剪切试样在交变载荷下的裂纹驱动力。
[0006]综上所述，有必要发展出一套方法，实现在紧凑拉伸
‑
剪切实验中对疲劳裂纹扩展
方向和扩展长度的准确计算，以及对裂纹扩展过程中裂纹驱动力的准确表征，从而准确评估材料在I&II型复合断裂模式下的疲劳裂纹扩展速率，进而最终实现对构件疲劳寿命的准确分析和管理。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于紧凑拉伸
‑
剪切试样的疲劳裂纹扩展方向、长度及速率计算方法。
[0008]本专利技术解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
[0009]一种基于紧凑拉伸
‑
剪切试样的疲劳裂纹扩展方向、长度及速率计算方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
[0010]S1、采用有限元分析软件Abaqus，创建紧凑拉伸
‑
剪切试样和夹具模型，材料设置为各向同性，输入弹性模量E和泊松比υ参数；模型中设置七对加载销孔，每对销孔中心的连线均穿过试样中心；在销孔中心建立参考点，通过运动耦合的方式，建立参考点和销孔内壁二者自由度的耦合约束，外部载荷P分别施加在每对销孔的参考点上；
[0011]S2、采用带有缩减积分的20节点六面体单元对步骤S1的模型进行网格划分，在裂纹尖端处的网格进行加密和引入奇异单元；通过Abaqus自带的隐式求解器，计算位移、应变及应力场，得到柔度C和应力强度因子K
I
、K
II
；
[0012]S3、对含初始单边平直裂纹的模型，计算得到初始柔度C0，初始应力强度因子K
I0
、K
II0
；将K
I0
、K
II0
代入最大切向应力准则中计算裂纹扩展角度θ；采用式(1)对数据进行拟合，建立扩展角度θ与加载角度β和试样初始直裂纹长度比a0/W间的关系：
[0013]θ＝(A0+A1γ+A2α+A3γ2+A4α2+A5γα)/(1+A6γ+A7α+A8γ2+A9α2+A
10
γα)
ꢀꢀ
(1)
[0014]其中：γ＝sinβ；α＝a0/W；
[0015]A0～A
10
为拟合系数；
[0016]S4、以式(1)计算所得扩展角度θ作为扩展方向在模型中建立偏折扩展裂纹，计算不同裂纹扩展长度l
i
对应的柔度C
i
；将C
i
进行归一化后，采用式(2)对数据进行拟合，建立归一化柔度与裂纹扩展长度比l
i
/W、加载角度β和初始直裂纹长度比a0/W的关系：
[0017][0018]其中：α＝a0/W；β数值为角度制；
[0019]A和B为拟合参数；
[0020]S5、以式(1)计算所得扩展角度θ作为扩展方向在模型中建立偏折扩展裂纹，计算不同裂纹扩展长度l
i
对应的应力强度因子K
Ii
；将K
Ii
进行归一化后，得到归一化的应力强度因子Y
Ii
，采用式(3)对数据进行拟合，建立在特定初始直裂纹长度比a0/W下归一化应力强度因子Y
Ii
与裂纹扩展长度比l
i
/W、加载角度β的关系：
[0021]Y
Ii
＝(C0+C1β+C2β2+C3β3+C4δ
i
+C5δ
i2
)/(1+C6β+C7β2+C8δ
i
+C9δ
i2
)
ꢀꢀ
(3)
[0022]其中：δ
i
＝l
i
/W；
[0023]β数值基于角度制；
[0024]C0‑
C9为拟合参本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于紧凑拉伸
‑
剪切试样的疲劳裂纹扩展方向、长度及速率计算方法，其特征在于：所述方法的步骤为：S1、采用有限元分析软件Abaqus，创建紧凑拉伸
‑
剪切试样和夹具模型，材料设置为各向同性，输入弹性模量E和泊松比υ参数；模型中设置七对加载销孔，每对销孔中心的连线均穿过试样中心；在销孔中心建立参考点，通过运动耦合的方式，建立参考点和销孔内壁二者自由度的耦合约束，外部载荷P分别施加在每对销孔的参考点上；S2、采用带有缩减积分的20节点六面体单元对步骤S1的模型进行网格划分，在裂纹尖端处的网格进行加密和引入奇异单元；通过Abaqus自带的隐式求解器，计算位移、应变及应力场，得到柔度C和应力强度因子K
I
、K
II
；S3、对含初始单边平直裂纹的模型，计算得到初始柔度C0，初始应力强度因子K
I0
、K
II0
；将K
I0
、K
II0
代入最大切向应力准则中计算裂纹扩展角度θ；采用式(1)对数据进行拟合，建立扩展角度θ与加载角度β和试样初始直裂纹长度比a0/W间的关系：θ＝(A0+A1γ+A2α+A3γ2+A4α2+A5γα)/(1+A6γ+A7α+A8γ2+A9α2+A
10
γα)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中：γ＝sinβ；α＝a0/W；A0～A
10
为拟合系数；S4、以式(1)计算所得扩展角度θ作为扩展方向在模型中建立偏折扩展裂纹，计算不同裂纹扩展长度l
i
对应的柔度C
i
；将C
i
进行归一化后，采用式(2)对数据进行拟合，建立归一化柔度与裂纹扩展长度比l
i
/W、加载角度β和初始直裂纹长度比a0/W的关系：其中：α＝a0/W；β数值为角度制；A和B为拟合参数；S5、以式(1)计算所得扩展角度θ作为扩展方向在模型中建立偏折扩展裂纹，计算不同裂纹扩展长度l
i
对应的应力强度因子K
Ii
；将K
Ii
进行归一化后，得到归一化的应力强度因子Y
Ii
，采用式(3)对数据进行拟合，建立在特定初始直裂纹长度比a0/W下归一化应力强度因子Y
Ii
与裂纹扩展长度比l
i
/W、加载角度β的关系：Y
Ii
＝(C0+C1β+C2β2+C3β3+C4δ
i
+C5δ
i2
)/(1+C6β+C7β2+C8δ
i
+C9δ
i2
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中：δ
i
＝l
i
/W；β数值基于角度制；C0‑
C9为拟合参数；S6、以式(1)计算所得扩展角度θ作为扩展方向在模型中建立偏折扩展裂纹，计算不同裂纹扩展长度l
i
对应的应力强度因子K
IIi
；将K
IIi
进行归一化后，得到归一化的应力强度因子Y
IIi
，采用式(4)对数据进行拟合，建立在特定加载角度β下归一化应力强度因子Y
IIi
与裂纹扩展长度比l
i
/W、初始直裂纹长度比a0/W的关系：Y
IIi
＝(D0+D1δ
i
+D2δ
i2
+D3δ
i3
+D4α+D5α2)/(1+D6δ
i
+D7α+D8α2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中：δ
i
＝l
i
/W；α＝a0/W；
D0‑
D8为拟合参数；S7、设计和加工紧凑拉伸
‑
剪切试样，开展I&II型疲...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘争，靳鹏飞，陈旭，王昕，胡佳其，孙兴悦，陈皓若，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：