一种基于位错不可逆运动耗散能准则的疲劳寿命预测方法

本发明涉及疲劳的寿命预测，特别是指一种基于位错不可逆运动耗散能准则的疲劳寿命预测方法。

背景技术：

1、现代航空发动机、风电叶片塔筒、新能源汽车驱动电机等装置的工作环境日趋复杂，其中的关键部件承受低周或高周疲劳损伤，降低了这些关键部件服役寿命。为了准确地评估疲劳载荷下的耐久性问题，基于宏观唯象方法疲劳损伤模型被开发出来，以提供寿命预测技术，如经典的coffin-manson模型和basquin模型被分别用于低周疲劳寿命(lcf)和高周疲劳寿命(hcf)。由于应力控制hcf和应变控制lcf预测准则的差异，导致使用多种准则对hcf和lcf过渡区域的疲劳寿命预测存在较大差异。预测该过渡区域的疲劳性能带来了困难。因此，为了保证关键部件的安全性和可靠性，构建准确的疲劳寿命预测模型是非常重要的。

2、此外，宏观的疲劳寿命预测模型需要大量实验测试数据拟合，并且未能将疲劳寿命与微观结构联系且成本高昂。近些年，有限元软件的发展为了更好地理解复杂工况下的应力应变行为以及实现该工况下的寿命预测。其中基于晶体塑性有限元模拟的微观模型能够经济有效地预测不同加载条件下的疲劳寿命。同时，它便于监测疲劳过程中微观组织内部的局部应力应变变化。建立微观组织与疲劳性能之间的定量关联对确保和优化合金功能具有重要的帮助。

3、晶体塑性理论模型与有限元方法相结合，可以提取材料的微观演化特征，特别是决定损伤积累和相关疲劳寿命的疲劳指数参数。此外，在疲劳循环加载过程中，位错发生湮灭和合并等不可逆运动，导致不可逆循环塑性应变的产生，从而导致疲劳断裂。然而，传统的累积耗散能准则并没有考虑到循环加载过程中位错运动的不可逆性。因此，现有方法难以准确实现疲劳寿命预测。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于位错不可逆运动耗散能准则的疲劳寿命预测方法，以解决现有方法难以准确实现疲劳寿命预测的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

3、一方面，本发明提供了一种基于位错不可逆运动耗散能准则的疲劳寿命预测方法，所述基于位错不可逆运动耗散能准则的疲劳寿命预测方法包括：

4、通过对待研究材料进行电子背散射信息表征分析，构建待研究材料的微观组织代表性体积单元rve模型；并在构建出rve模型后，对rve模型施加预设的边界条件和外部载荷，划分模型网格，得到用于有限元计算的rve模型；

5、构建晶体塑性本构方程，并对晶体塑性本构方程进行参数校准；

6、基于累积耗散能准则和位错运动的不可逆性构建新准则；

7、基于疲劳实验数据，确定所述新准则的临界值；

8、基于完成参数校准的晶体塑性本构方程，将rve模型用于晶体塑性有限元计算，结合所述新准则以及新准则的临界值，进行不同加载条件下的疲劳寿命预测。

9、进一步地，所述rve模型为人工微观组织模型或真实微观组织模型。

10、进一步地，有限元计算通过abaqus软件实现。

11、进一步地，所述晶体塑性本构方程通过用户自定义子程序umat定义，所述晶体塑性本构方程用于对rve模型进行有限元计算；

12、所述构建晶体塑性本构方程，包括：

13、s21：建立描述塑性变形行为的晶体塑性本构方程中塑性变形梯度lp的主控方程为：

14、

15、其中，fp为非弹性变形梯度；sα为第α滑移系的单位矢量；mα为第α滑移系法线方向的单位矢量；为非弹性变形速度梯度；n为滑移系个数；为第α滑移系的塑性滑移率，由以下公式进行计算：

16、

17、其中，和xα分别表示参考应变速率和背应力；m表示应变速率敏感参数；τα和分别表示临界分解剪切应力和饱和分解剪切应力，由以下公式计算：

18、

19、

20、其中，s为第二piola-kirchhoff应力张量；τi为初始分解的剪切应力；qαβ为潜在硬化参数；h0、τs、α为滑移系的硬化常数；δγβ为第β滑移系的塑性滑移增量；为第β滑移系饱和分解剪切应力；

21、晶粒尺寸对滑移系硬化行为的影响用hall-petch关系表示：

22、

23、其中，τav为平均分解剪应力；k和d分别为hall-petch系数和晶粒尺寸；

24、随动硬化演化由armstrong-frederick型方程描述：

25、

26、其中，c和d为背应力常数；xα为第α滑移系的背应力；

27、耗散能公式由以下公式表示：

28、

29、其中，w为累积耗散能；t为abaqus中的分析步增量；

30、将晶体塑性本构方程使用fortran语言编入umat子程序中。

31、进一步地，所述对晶体塑性本构方程进行参数校准，包括：

32、采用试错法或纳米压痕法进行晶体塑性参数校准。

33、进一步地，基于累积耗散能准则和位错运动的不可逆性构建新准则，包括：

34、构建疲劳裂纹萌生寿命预测模型，所述疲劳裂纹萌生寿命预测模型为：

35、wirr，crit＝n·wcyc·p

36、其中，wirr，crit为临界不可逆耗散能值；p为位错运动的不可逆系数；wcyc为累积耗散能的线性增量；n为疲劳寿命；p由以下公式计算：

37、

38、其中，ε′f和c分别为疲劳延性系数和疲劳延性指数；εp’irr为临界不可逆循环塑性应变；

39、采用εp’irr同时除以wirr，crit＝n·wcyc·p的等号两侧，得公式：

40、

41、采用基于晶粒的平均技术提取耗散能，公式如下：

42、

43、其中，i为晶粒的有限元标识符；为晶粒中的元素个数；为第i个晶粒的单元体积；

44、得到用于疲劳寿命预测的新准则，公式如下：

45、

46、其中，fipnew表示用于疲劳寿命预测的新准则。

47、进一步地，所述基于疲劳实验数据，确定所述新准则的临界值，包括：

48、通过abaqus软件计算rve模型中的每个晶粒的耗散能值，获取模型的后处理云图，从后处理云图中提取最大的能量耗散，分析它随着循环周次的变化规律，结合一组疲劳实验数据和所述新准则，计算得到所述新准则的临界值。

49、进一步地，所述通过abaqus软件计算rve模型中的每个晶粒的耗散能值，获取模型的后处理云图，从后处理云图中提取最大的能量耗散，分析它随着循环周次的变化规律，结合一组疲劳实验数据和所述新准则，计算得到所述新准则的临界值，包括：

50、对rve模型进行预设周次的疲劳加载，计算后观察耗散能云图，在耗散能最大处提取耗散能值，得到不同加载方式下的不同加载应力幅的δwavg值；

51、将δwavg值与相应的实验疲劳寿命结合计算拟合得到新准则的临界值。

52、再一方面，本发明还提供了一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述方法。

53、又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述方法。

54、本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

55、本发明通过在传统耗散能的基础上考虑位错运动的不可逆性建立了新准则，解决了不同准则对于高低周疲劳寿命过渡区域难以预测的问题。此外，在疲劳循环加载过程中，位错发生湮灭和合并等不可逆运动，导致不可逆循环塑性应变的产生，从而导致疲劳断裂。而本准则考虑了位错运动的不可逆性，可更好地实现疲劳损伤分析及高低周疲劳寿命预测，具有适用性广，精度高等优点。