金属材料的疲劳裂纹扩展寿命预测方法、装置及相关设备与流程

本发明涉及材料科学与工程应用，更具体地说，涉及一种金属材料的疲劳裂纹扩展寿命预测方法、装置及相关设备。

背景技术：

1、工程上，一方面由于典型焊接工艺往往在金属材料引入残余应力；而另一方面，由于表面完整性需求，往往对应力集中部分或寿命敏感区进行表面强化，提升疲劳寿命。无论是焊接、还是表面强化方法，都会引入残余应力，改变材料表面形貌和微观组织等表面完整性特征，进而影响轮盘的疲劳性能。而且由于残余应力的引入，传统疲劳寿命预测方法不再适用。目前比较常用的方法是通过大量试验，对疲劳寿命进行统计分析，基于统计理论给出疲劳寿命。另一方面，还可以采用有限元仿真，对简单形式试样建立寿命模型，仅限于科研阶段。第一种方法需要重复进行大量试验，而且一旦发生试验条件改变，基于已有数据预测寿命会有很强的局限性；而第二种方法从有限元模型角度出发，则需要对复杂情况进行简化，而在建立仿真模型前，还需要对简化因素的重要性进行判定，尚需更全面的系统性分析。

2、随着焊接工艺和表面强化技术水平不断提升，越来越多的工程师聚焦在残余应力对疲劳寿命的影响研究领域。基于表面完整性和服役寿命需求，考虑残余应力的影响，对含有残余应力的结构损伤容限分析和结构完整性评价提供支撑。

技术实现思路

1、有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种金属材料的疲劳裂纹扩展寿命预测方法、装置及相关设备，技术方案如下：

2、一种金属材料的疲劳裂纹扩展寿命预测方法，所述方法包括：

3、确定待测金属材料的最佳残余应力分布函数、以及所述最佳残余应力分布函数的系数值；

4、依据所述最佳残余应力分布函数、以及所述最佳残余应力分布函数的系数值，计算所述待测金属材料的残余应力强度因子；

5、获取所述待测金属材料所对应母材的第一裂纹扩展速率和应力强度因子范围；

6、根据所述第一裂纹扩展速率和所述应力强度因子范围计算walker模型常数值，以及，根据所述残余应力强度因子和所述应力强度因子范围计算有效应力强度因子范围和有效应力比；

7、利用所述walker模型常数值、所述有效应力强度因子范围和所述有效应力比，计算所述待测金属材料的第二裂纹扩展速率和裂纹扩展寿命的预测值。

8、优选的，所述确定待测金属材料的最佳残余应力分布函数、以及所述最佳残余应力分布函数的系数值，包括：

9、获取所述待测金属材料对应的残余应力引入方式、以及所述待测金属材料的实际厚度；

10、根据所述残余应力引入方式确定多个残余应力分布函数；

11、通过与所述实际厚度相匹配的残余应力测试信息，对所述多个残余应力分布函数进行测试；

12、基于测试结果从所述多个残余应力分布函数中选取最佳残余应力分布函数、并确定所述最佳残余应力分布函数的系数值。

13、优选的，所述获取所述待测金属材料所对应母材的第一裂纹扩展速率和应力强度因子范围，包括：

14、对所述待测金属材料所对应的母材进行不同应力比下的裂纹扩展试验，获取所述待测金属材料所对应母材的第一裂纹扩展速率和应力强度因子范围。

15、优选的，所述根据所述残余应力强度因子和所述应力强度因子范围计算有效应力强度因子范围和有效应力比，包括：

16、通过叠加法或者newman裂纹闭合模型对所述残余应力强度因子和所述应力强度因子范围进行处理，得到有效应力强度因子范围和有效应力比。

17、一种金属材料的疲劳裂纹扩展寿命预测装置，所述装置包括：

18、函数确定模块，用于确定待测金属材料的最佳残余应力分布函数、以及所述最佳残余应力分布函数的系数值；

19、因子计算模块，用于依据所述最佳残余应力分布函数、以及所述最佳残余应力分布函数的系数值，计算所述待测金属材料的残余应力强度因子；

20、寿命计算模块，用于获取所述待测金属材料所对应母材的第一裂纹扩展速率和应力强度因子范围；根据所述第一裂纹扩展速率和所述应力强度因子范围计算walker模型常数值，以及，根据所述残余应力强度因子和所述应力强度因子范围计算有效应力强度因子范围和有效应力比；利用所述walker模型常数值、所述有效应力强度因子范围和所述有效应力比，计算所述待测金属材料的第二裂纹扩展速率和裂纹扩展寿命的预测值。

21、优选的，所述函数确定模块，具体用于：

22、获取所述待测金属材料对应的残余应力引入方式、以及所述待测金属材料的实际厚度；根据所述残余应力引入方式确定多个残余应力分布函数；通过与所述实际厚度相匹配的残余应力测试信息，对所述多个残余应力分布函数进行测试；基于测试结果从所述多个残余应力分布函数中选取最佳残余应力分布函数、并确定所述最佳残余应力分布函数的系数值。

23、优选的，用于获取所述待测金属材料所对应母材的第一裂纹扩展速率和应力强度因子范围的所述寿命计算模块，具体用于：

24、对所述待测金属材料所对应的母材进行不同应力比下的裂纹扩展试验，获取所述待测金属材料所对应母材的第一裂纹扩展速率和应力强度因子范围。

25、优选的，用于根据所述残余应力强度因子和所述应力强度因子范围计算有效应力强度因子范围和有效应力比的所述寿命计算模块，具体用于：

26、通过叠加法或者newman裂纹闭合模型对所述残余应力强度因子和所述应力强度因子范围进行处理，得到有效应力强度因子范围和有效应力比。

27、一种电子设备，所述电子设备包括：至少一个存储器和至少一个处理器；所述存储器存储有应用程序，所述处理器调用所述存储器存储的应用程序，所述应用程序用于实现所述的金属材料的疲劳裂纹扩展寿命预测方法。

28、一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序代码，所述计算机程序代码执行时实现所述的金属材料的疲劳裂纹扩展寿命预测方法。

29、相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

30、本发明提供一种金属材料的疲劳裂纹扩展寿命预测方法、装置及相关设备，首先确定待测金属材料的最佳残余应力分布函数及其系数值；进而依据最佳残余应力分布函数及其系数值计算待测金属材料的残余应力强度因子；进一步获取待测金属材料所对应母材的第一裂纹扩展速率和应力强度因子范围，并根据第一裂纹扩展速率和应力强度因子范围计算walker模型常数值、根据残余应力强度因子和应力强度因子范围计算有效应力强度因子范围和有效应力比；最后利用walker模型常数值、有效应力强度因子范围和有效应力比，计算待测金属材料的第二裂纹扩展速率和裂纹扩展寿命的预测值。基于此，本发明可以实现金属材料在残余应力场中的疲劳裂纹扩展寿命的预测，具有精确性和实用性。

技术特征：

1.一种金属材料的疲劳裂纹扩展寿命预测方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定待测金属材料的最佳残余应力分布函数、以及所述最佳残余应力分布函数的系数值，包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述待测金属材料所对应母材的第一裂纹扩展速率和应力强度因子范围，包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述残余应力强度因子和所述应力强度因子范围计算有效应力强度因子范围和有效应力比，包括：

5.一种金属材料的疲劳裂纹扩展寿命预测装置，其特征在于，所述装置包括：

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述函数确定模块，具体用于：

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，用于获取所述待测金属材料所对应母材的第一裂纹扩展速率和应力强度因子范围的所述寿命计算模块，具体用于：

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，用于根据所述残余应力强度因子和所述应力强度因子范围计算有效应力强度因子范围和有效应力比的所述寿命计算模块，具体用于：

9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：至少一个存储器和至少一个处理器；所述存储器存储有应用程序，所述处理器调用所述存储器存储的应用程序，所述应用程序用于实现权利要求1-4任意一项所述的金属材料的疲劳裂纹扩展寿命预测方法。

10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序代码，所述计算机程序代码执行时实现权利要求1-4任意一项所述的金属材料的疲劳裂纹扩展寿命预测方法。

技术总结
本发明提供一种金属材料的疲劳裂纹扩展寿命预测方法、装置及相关设备，确定待测金属材料的最佳残余应力分布函数及其系数值；依据最佳残余应力分布函数及其系数值计算待测金属材料的残余应力强度因子；获取待测金属材料所对应母材的第一裂纹扩展速率和应力强度因子范围，并根据第一裂纹扩展速率和应力强度因子范围计算Walker模型常数值、根据残余应力强度因子和应力强度因子范围计算有效应力强度因子范围和有效应力比；利用Walker模型常数值、有效应力强度因子范围和有效应力比，计算待测金属材料的第二裂纹扩展速率和裂纹扩展寿命的预测值。本发明可以实现金属材料在残余应力场中的疲劳裂纹扩展寿命的预测，具有精确性和实用性。

技术研发人员：刘尧,张仕朝,张丽,许巍
受保护的技术使用者：中国航发北京航空材料研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11