专利名称：基于材料r曲线的金属结构疲劳裂纹扩展寿命预测方法
技术领域：
本发明涉及金属结构的疲劳裂纹扩展寿命预测方法，特别涉及一种基于材料R曲线的金属结构疲劳裂纹扩展寿命预测模型。
背景技术：
机械、运载和能源等行业的典型重大装备已经服役多年时间，可靠预测含裂纹构件寿命是有效提高装备服役性能和控制失效事故发生的重要途径，因为过早判废退役则意味着巨额浪费和经济损失，继续运行则需要合理的寿命预测以保证安全。金属材料作为结构的主承力件被广泛应用于航空装备，这在我国现役的各型主战飞机中体现得尤为明显， 即使作为国际上最先进的战斗机F-22，其复合材料的用量也仅占到飞机结构重量的24%。因此，较长的一段时期内，金属材料仍将作为飞机结构的主承力构件被广泛应用。金属材料结构在使用过程中由于疲劳载荷、磨损、环境腐蚀、材料老化、构件缺陷以及其它自然及人为因素的作用而极有可能发生损伤直至破坏，其中疲劳失效是飞机构件基本和主要的破坏模式。作为主承力构件的金属结构一旦发生损伤，其造成的结果往往是十分惨痛的，航空史上发生过多起因飞机结构疲劳问题引起的重大事故。为了保证飞行安全，必须对作为主承力件的金属结构的疲劳寿命进行准确预测。在疲劳裂纹扩展寿命预测方面，断裂力学是研究疲劳裂纹扩展的有力工具。断裂力学已较成功地描述疲劳裂纹扩展，在裂纹闭合模型、厚度效应模型、高载迟滞模型发展等方面做了大量的研究，取得很多成果，但是，以上所述的疲劳裂纹扩展模型均是基于裂纹扩展过程的物理模型和基于描述裂纹扩展速率数据趋势公式模拟，目前仍然缺少符合疲劳裂纹扩展断裂的真实物理过程的模型。国际断裂力学先驱D. Broek对裂纹扩展的本质进行了阐述，并详细介绍了 R曲线的概念和作用。R曲线反映了疲劳裂纹扩展断裂的真实物理过程。所以，对于R曲线及其应用的研究工作一直吸引着断裂力学工作者们的注意力。目前R曲线研究大多集中在试验方面。在利用材料R曲线研究材料断裂特性时，人们常用的是试验测定的薄板材料在平面应力状态下的R曲线。但是，众所周知，R曲线除了与材料性质有关，还与试样的厚度有关，完全通过实验获取裂纹扩展阻力曲线，耗费资源非常大，而且应用起来并非十分方便。对此，北京航空航天大学的张行教授与杨继运博士用断裂力学理论导出了裂纹扩展阻力曲线及其厚度效应的解析表达式，并运用裂纹扩展阻力曲线对金属结构剩余强度进行了较为准确的估算。在运用R曲线进行疲劳裂纹扩展寿命预测方面，空军工程大学的何宇廷教授等提出了一种有效能量准则，可以描述为在疲劳裂纹扩展中，只有有效能量释放率对疲劳裂纹扩展特性有直接影响，而每一载荷循环中裂纹扩展量可以通过有效能量释放率给出。有效能量释放率被认为是疲劳裂纹完全张开后用于裂纹扩展的能量，与同一载荷循环中裂纹扩展的消耗能相等。而裂纹扩展的消耗能可以通过裂纹扩展阻力曲线获得
发明内容
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于材料R曲线的金属结构疲劳裂纹扩展寿命预测模型，目的在于避免现有寿命预测技术不能反映裂纹扩展物理本质的不足之处，为金属结构疲劳裂纹 扩展寿命的准确预测、保证机械设备安全运行提供一套理论方法。技术方案一种基于材料R曲线的金属结构疲劳裂纹扩展寿命的预测模型，其特征在于步骤如下步骤I材料R曲线的试验测定选取与被预测结构相同的金属材料，按照标准《ASTM E561-08 Standard TestMethod for K-R Curve Determination》或《HB 5261-83金属板材K-R曲线试验方法》,加工中心孔板试件CCT试件，并测量该材料的载荷一裂纹嘴张开位移曲线P-v曲线；CCT试件尺寸参数标注见
图1，P-v曲线示意图见图2 ；步骤2材料R曲线表达式的拟合步骤(a)、利用柔度法计算裂纹半长a 根据《ASTME561-08Standard Test Method for K-R Curve Determination》标准，CCT试样柔度计算公式为
权利要求
1. 一种基于材料R曲线的金属结构疲劳裂纹扩展寿命的预测模型，其特征在于步骤如下 步骤I材料R曲线的试验测定 选取与被预测结构相同的金属材料，按照标准《ASTM E561-08Standard Test Methodfor K-R Curve Determination》或《HB 5261-83金属板材K-R曲线试验方法》,加工中心孔板试件CCT试件，并测量该材料的载荷一裂纹嘴张开位移曲线P-v曲线； 步骤2材料R曲线表达式的拟合 步骤(a)、利用柔度法计算裂纹半长a : 根据《ASTM E561-08Standard Test Method for K-R Curve Determination》标准，CCT试样柔度计算公式为
全文摘要
本发明涉及一种基于材料R曲线的金属结构疲劳裂纹扩展寿命预测模型，技术特征在于基于材料裂纹扩展阻力曲线(R曲线)及裂纹扩展能量释放率理论，定义疲劳载荷下的有效能量释放率为疲劳裂纹完全张开后用于裂纹扩展的能量，与同一载荷循环中由裂纹扩展阻力曲线表征的消耗能相等，提出了一种能够反映裂纹扩展物理本质的疲劳裂纹扩展寿命预测模型。借助这一模型，可以计算每一载荷循环中的裂纹扩展量，进而通过对裂纹扩展量的累积计算，预测裂纹扩展寿命，适用于工程上对金属结构疲劳裂纹扩展寿命的预测，为结构损伤容限评估提供了一种参考方法。
文档编号G01N3/60GK102778404SQ20121020148
公开日2012年11月14日 申请日期2012年6月19日 优先权日2012年6月19日
发明者丁华, 伍黎明, 何宇廷, 崔荣洪, 张海威, 张腾, 邵青 申请人:中国人民解放军空军工程大学