冲击-腐蚀耦合损伤结构疲劳极限预测方法及设备

本发明涉及损伤结构疲劳极限预测技术，尤其涉及一种冲击-腐蚀耦合损伤结构疲劳极限预测方法及设备。

背景技术：

1、结构在服役过程中往往面临着复杂的工作环境，承受着不同的损伤形式，其承载能力、疲劳寿命和可靠性大幅降低，这可能导致结构完整性的破坏。因此准确评估复杂服役环境下的结构疲劳极限，确保结构满足使用需求的疲劳寿命及高可靠性等要求，是工程中的一个重要问题。工程中一些关键结构在工作过程中难以避免的受到外物的冲击作用，在冲击部位易形成应力集中、残余应力以及微结构损伤等特征。同时，受工作环境的湿度，酸碱度等影响，对结构产生进一步的腐蚀作用，通常会在材料表面形成微小蚀坑。在冲击和腐蚀的耦合作用下，损伤缺口处可能成为裂纹萌生源，在疲劳载荷下快速扩展，导致结构疲劳性能大大降低，发生高循环失效。

2、国内外学者针对缺口的疲劳极限预测方法提出了多种数学模型，如neuber提出的平均应力模型，peterson在此基础上修正的peterson公式，taylor提出的临界距离理论，hudak提出的最差缺口模型，weibull基于统计数据提出的最弱环理论等。这些模型在缺口件疲劳预测上各有优劣，在具体应用到不同损伤形式的缺口上时，还需要对缺口特征分析，获得缺口特征的表征参数，并引入到模型中。耦合损伤缺口的损伤形貌和微观特征是影响其疲劳强度的主要因素，它们与外物的类型，尺寸，冲击速度和角度，结构的材料，腐蚀环境和时长等相关。目前综合考虑冲击-腐蚀耦合损伤缺口的疲劳性能研究相对较少。对这种耦合损伤缺口，一般根据宏观缺口形貌，计算其理论应力集中系数来预测疲劳极限，但该方法不能考虑缺口应力梯度的影响，预测精度不高，同时也不能考虑到耦合损伤的影响。因此，工程上尚未有一种简单，精确的耦合损伤缺口疲劳极限预测方法。

技术实现思路

1、发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种预测精度更高的冲击-腐蚀耦合损伤结构疲劳极限预测方法及设备。

2、技术方案：第一方面，本发明提供了一种基于临界距离的冲击-腐蚀耦合损伤结构疲劳极限预测方法，包括：

3、根据冲击-腐蚀耦合的待预测损伤结构的平面图像计算待预测损伤结构的三维分形维数；

4、根据待预测损伤结构的损伤情况计算损伤缺口的理论应力集中系数；

5、根据所述三维分形维数和所述理论应力集中系数建立待预测损伤结构损伤缺口根部的应力梯度修正函数；

6、查找预生成的材料-临界距离表得到当前待预测损伤结构的材料对应的临界距离；

7、建立待预测损伤结构的三维模型，当临界点对应的修正应力与光滑试样疲劳极限的误差为预设阈值时，三维模型上的外载荷作为待预测损伤件的疲劳极限。

8、进一步的，所述根据冲击-腐蚀耦合的待预测损伤结构的平面图像计算损伤结构的三维分形维数，具体包括：

9、获取冲击-腐蚀耦合的待预测损伤结构的损伤区域平面图像，并转换为灰度图像；

10、将所述灰度图像以所在像素的坐标作为平面坐标，以所在像素的灰度值作为z轴坐标，建立三维灰度曲面；

11、计算所述三维灰度曲面的三维分形维数，作为待预测损伤结构的三维分形维数。

12、进一步的，所述根据待预测损伤结构的损伤情况计算损伤缺口的理论应力集中系数，具体包括：

13、根据所述待预测损伤结构的损伤深度和损伤宽度，按照下式计算缺口根部曲率半径：

14、

15、式中，ρ表示缺口根部曲率半径，l表示损伤宽度，d表示损伤深度；

16、根据所述缺口根部曲率半径按照下式计算所述待预测损伤结构的理论应力集中系数：

17、

18、式中，kt表示理论应力集中系数。

19、进一步的，所述应力梯度修正函数具体为：

20、

21、式中，为应力梯度修正函数，kt表示理论应力集中系数，d为三维分形维数，r为缺口根部二分线上任一点到缺口根部的距离，a为常数。

22、可选的，所述临界距离通过如下方法获取：

23、随机选择若干与待预测损伤结构材料相同的任意损伤情况的冲击-腐蚀耦合的损伤结构；

24、通过试验获取与待预测损伤结构材料相同的光滑试样疲劳极限σ0和选择的若干损伤结构的疲劳极限σ1,σ2,...；

25、建立选择的每个损伤结构的三维模型，通过有限元分析获取每个损伤结构缺口根部二分线上的应力分布σs，1(r),σs,2(r),...；

26、对每个损伤结构应力分布σs，1(r),σs,2(r),...采用应力梯度修正函数修正，得到修正应力分布σe，1(r),σe,2(r),...；

27、令σe，1(r)＝σ0,σe,2(r)＝σ0,...，分别求解得到r的值r1,r2,…；

28、计算r1,r2,…平均值的2倍作为临界距离l0。

29、进一步的，所述建立待预测损伤结构的三维模型，当临界点的修正应力与光滑试样疲劳极限的误差为预设阈值时，三维模型上的外载荷作为待预测损伤件的疲劳极限，具体包括：

30、根据待预测损伤结构损伤宽度和损伤深度，建立有限元的三维模型，并对三维模型施加外载荷初始值，通过有限元分析，获得缺口根部二分线上的应力分布σs(r)，r为缺口根部二分线上任一点到缺口根部的距离；

31、将应力分布σs(r)采用应力梯度修正函数修正，得到临界点的修正应力σe(l0)，l0为临界距离；

32、判断所述临界点的修正应力σe(l0)与同材料光滑试样疲劳极限的误差是否位于预设阈值内；

33、若是，则将当前施加的外载荷作为待预测损伤件的疲劳极限；

34、若否，则调整施加的外载荷的值，直至临界点的修正应力与光滑试样疲劳极限的误差为预设阈值时，将此时的外载荷作为待预测损伤件的疲劳极限。

35、第二方面，本发明还提供了一种基于临界距离的冲击-腐蚀耦合损伤结构疲劳极限预测装置，包括：

36、三维分形维数确认模块，用于根据冲击-腐蚀耦合的待预测损伤结构的平面图像计算待预测损伤结构的三维分形维数；

37、理论应力集中系数确认模块，用于根据待预测损伤结构的损伤情况计算损伤缺口的理论应力集中系数；

38、应力梯度修正函数确认模块，用于根据所述三维分形维数和所述理论应力集中系数建立待预测损伤结构损伤缺口根部的应力梯度修正函数；

39、材料-临界距离表，用于存储各材料的临界距离；其中，所述临界距离为任意损伤结构中应力为同材料光滑试样疲劳极限时的缺口根部二分线上点到缺口根部的距离；

40、查找模块，用于查找材料-临界距离表得到当前待预测损伤结构的材料对应的临界距离；

41、疲劳极限确认模块，用于建立待预测损伤结构的三维模型，当临界点的修正应力与光滑试样疲劳极限的误差为预设阈值时，三维模型的外载荷作为待预测损伤件的疲劳极限，其中，所述修正应力为采用所述应力梯度修正函数修正三维模型计算的应力分布后得到的应力。

42、第三方面，本发明还提供了一种基于临界距离的冲击-腐蚀耦合损伤结构疲劳极限预测设备，包括处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的可执行程序，其特征在于：所述处理器执行所述可执行程序时实现第一方面所述的方法。

43、第四方面，本发明还提供了一种包含计算机可执行程序的存储介质，所述计算机可执行程序在由计算机处理器执行时用于执行第一方面所述的方法。

44、本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明将耦合损伤参数与损伤缺口梯度相联系，基于临界距离法预测耦合损伤缺口的疲劳极限，预测过程相对简单，仅需线弹性分析，预测精度较高。