一种考虑表面强化效应的三维疲劳裂纹扩展行为预测方法

本发明涉及结构疲劳寿命预测，具体是涉及一种考虑表面强化效应的三维疲劳裂纹扩展行为预测方法。

背景技术：

1、金属材料结构的疲劳裂纹扩展行为是评估零部件承载能力的重要因素。在设计方案和制造工艺固定的条件下，表面处理是提高材料疲劳断裂性能的有效手段。表面处理技术包括但不限于喷丸强化、激光冲击强化和机械研磨抛光等方法。表面处理可以在材料表面促使晶粒细化，位错堆积，并在较厚的深度上形成残余压应力，这些是处理后材料力学性能显著变化的主要原因。

2、现有技术中，miao等人“on the potential applications of a 3d randomfinite element model for the simulation of shot peening”利用三维随机喷丸有限元模型研究了多弹丸冲击后材料中的残余应力和塑性应变分布。郭小军等人“高温合金激光冲击强化数值模拟及其疲劳寿命预测”提出激光冲击强化三维多尺度模拟方法，研究了激光冲击强化后inconel718的残余应力分布，并且依据试验预测了激光冲击强化对疲劳寿命的影响。aswegen和polese“experimental and analytical investigation of theeffects of laser shock peening processing strategy on fatigue crack growth inthin 2024aluminium alloy panels”针对2024铝合金进行激光冲击强化，将试验结果与模型预测相对比，研究了表面处理前后材料的疲劳裂纹扩展情况。目前对于表面处理引入的梯度应力，主要通过abaqus商业软件进行激光冲击模拟，残余应力结果受到模拟中激光大小，冲击时间的影响，无法与试验得到的残余应力分布直接联系，依次进行疲劳寿命预测与裂纹扩展的结果不够准确。

技术实现思路

1、发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种提高预测精度的考虑表面强化效应的三维疲劳裂纹扩展行为预测方法。

2、技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种考虑表面强化效应的三维疲劳裂纹扩展行为预测方法，包括以下步骤：

3、步骤1：对金属材料试件进行表面强化，对强化后的金属材料试件进行残余应力表征，获得金属材料试件内部残余应力的梯度分布，通过数值拟合得到试件内部残余应力的三维空间分布函数；

4、步骤2：基于金属材料的性能参数，通过单轴拉伸计算和疲劳强度计算，得到疲劳裂纹扩展计算中的模型参数；

5、步骤3：根据残余应力的三维空间分布函数，将残余应力利用初始应力转化为本征应变，将金属材料的性能参数、模型参数结合残余应力，根据疲劳断裂相场计算模型；对所述金属材料进行疲劳裂纹扩展行为预测。

6、进一步的，所述对金属材料试件进行表面强化包括喷丸强化、激光冲击强化。用x射线衍射应力测定仪测量强化后的金属材料试件内部残余应力的梯度分布。通过最小二乘法进行非线性拟合得到试件内部残余应力的三维空间分布函数，拟合函数形式包括多项式形式、幂指数形式、三角函数形式。所述金属材料的性能参数包括金属材料的杨氏模量、泊松比、强度极限、临界断裂韧性和疲劳强度；通过对金属材料试件进行单轴拉伸、断裂韧性测定和疲劳极限试验获得。模型参数包括界面宽度、能量门槛和指数参数。

7、进一步的，所述三维疲劳断裂相场计算模型包括应力平衡方程

8、

9、其中，为梯度算子，σ为应力张量。断裂序参量演化方程：

10、

11、其中，c(x,y,z)为断裂相场序参量，η为动力学系数，l为界面宽度尺寸，gc为临界断裂能密度，t为时间，为断裂能密度衰减函数，为驱动裂纹扩展的历史变量，取决于当前所有时间步中拉伸弹性应变能的最大值。

12、所述断裂能密度衰减函数为：

13、

14、其中，为疲劳加载过程中累积拉伸弹性应变能，αt为能量门槛值，κ为指数参数。

15、本发明还采用一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

16、本发明还一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。

17、有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是考虑表面强化处理对材料内部残余应力分布的影响，建立了考虑残余应力的三维空间分布梯度结构的疲劳断裂相场模型，有益于提升预测表面处理对材料疲劳性能的作用。

技术特征：

1.一种考虑表面强化效应的三维疲劳裂纹扩展行为预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的三维疲劳裂纹扩展行为预测方法，其特征在于，所述对金属材料试件进行表面强化包括喷丸强化、激光冲击强化。

3.根据权利要求1所述的三维疲劳裂纹扩展行为预测方法，其特征在于，用x射线衍射应力测定仪测量强化后的金属材料试件内部残余应力的梯度分布。

4.根据权利要求1所述的三维疲劳裂纹扩展行为预测方法，其特征在于，通过最小二乘法进行非线性拟合得到试件内部残余应力的三维空间分布函数，拟合函数形式包括多项式形式、幂指数形式、三角函数形式。

5.根据权利要求1所述的三维疲劳裂纹扩展行为预测方法，其特征在于，所述金属材料的性能参数包括金属材料的杨氏模量、泊松比、强度极限、临界断裂韧性和疲劳强度；通过对金属材料试件进行单轴拉伸、断裂韧性测定和疲劳极限试验获得。

6.根据权利要求1所述的三维疲劳裂纹扩展行为预测方法，其特征在于，所述步骤2中的模型参数包括界面宽度、能量门槛和指数参数。

7.根据权利要求6所述的三维疲劳裂纹扩展行为预测方法，其特征在于，所述疲劳断裂相场计算模型包括应力平衡方程

8.根据权利要求7所述的三维疲劳裂纹扩展行为预测方法，其特征在于，所述断裂能密度衰减函数为：

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至权利要求8所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至权利要求8所述的方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种考虑表面强化效应的三维疲劳裂纹扩展行为预测方法，对金属材料试件进行表面强化，对强化后的金属材料试件进行残余应力表征，获得金属材料试件内部残余应力的梯度分布，通过数值拟合得到试件内部残余应力的三维空间分布函数；基于金属材料的性能参数，通过单轴拉伸计算和疲劳强度计算，得到疲劳裂纹扩展计算中的模型参数；根据残余应力的三维空间分布函数，将金属材料的性能参数、模型参数结合残余应力，根据三维疲劳断裂相场计算模型；对所述金属材料进行疲劳裂纹扩展行为预测。考虑表面强化处理对材料内部残余应力分布的影响，建立了考虑梯度结构的三维疲劳断裂相场模型，有益于提升预测表面处理对材料疲劳性能的作用。

技术研发人员：易敏,孙燊,汤卫
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/16