【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及金屬材料疲勞裂紋預測，尤其涉及一種預測金屬材料疲勞裂紋擴展速率的方法。
技術介紹
1、金屬材料疲勞裂紋是金屬材料在長期使用過程中，由于不同方向的應力和材料的內部缺陷因素，導致金屬表面和內部緩慢地形成裂紋，并逐漸擴大的一種現象。為了及時發現潛在的裂紋擴展風險，避免金屬結構因疲勞斷裂而發生安全事故，多采取建立裂紋擴展類型的方法對金屬裂紋的擴展做出預測。
2、例如，授權公告號為cn107506544b的專利文件公開了一種金屬材料疲勞裂紋擴展預測方法，該方法首先采用有限元分析方法得到裂紋尖端在循環加載情況下的殘余應力場分布；之后計算出殘余應力強度因子，確定循環載荷的殘余應力影響范圍，并對殘余應力強度因子進行過濾，將任意一個殘余應力強度因子的影響范圍與之前所有的循環載荷產生的應力強度因子影響范圍進行比較，得出結論：對裂紋擴展有影響的殘余應力是自該殘余應力強度因子起、之前施加的所有循環載荷產生的殘余應力強度因子的線性疊加；接著將任意一個殘余應力強度因子的影響范圍與之前所有的循環載荷產生的應力強度因子影響范圍進行比較，若該殘余應力強度因子的影響范圍超出了之前所有循環載荷產生的殘余應力強度因子影響范圍，則認定僅考慮該殘余應力強度因子對裂紋擴展的影響，最后建立疲勞裂紋擴展模型，即可根據疲勞裂紋擴展模型對金屬材料的疲勞裂紋擴展做出預測。
3、可以看出，上述預測方法主要是通過定量表征裂紋擴展過程中由于過載引起的殘余應力的分布來反應殘余應力對裂紋擴展參與的貢獻，結合殘余應力強度因子，建立在變幅載荷下的疲勞裂紋擴展預
技術實現思路
1、本專利技術提供一種預測金屬材料疲勞裂紋擴展速率的方法，以解決現有技術中金屬材料疲勞裂紋擴展預測方法的計算量大、步驟復雜，導致其預測結果誤差大的技術問題。
2、為解決上述問題，本專利技術提供的預測金屬材料疲勞裂紋擴展速率的方法采用如下技術方案：
3、一種預測金屬材料疲勞裂紋擴展速率的方法，包括如下步驟：
4、s1：引入等效因子，得到疲勞裂紋擴展速率模型：，式中：-裂紋深度或寬度，-應力循環次數，-等效因子，、-和材料有關的參數，-應力強度因子變化范圍；定義，式中：-等效因子，-等效應力因子，-應力因子時的等效應力因子；等效因子的計算公式為：，式中：-等效因子，-循環應力為時的拐點，-應力比；
5、s2：在室溫下進行金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗，測得穩態階段應力比下的疲勞裂紋擴展曲線，并基于paris公式對所得到的疲勞裂紋擴展曲線進行擬合，得到應力比下的、值和應力強度因子變化范圍，應力比為時所對應的等效因子為；
6、s3：將應力強度因子變化范圍乘以該應力比下的等效因子，得到應力比時的應力強度因子變化范圍；
7、s4：將應力強度因子變化范圍除以目標應力比下的等效因子，得到應力比下應力強度因子變化范圍，將帶入步驟s2擬合得到的paris公式中，其中，步驟s2所得到的和值保持不變，即可得到應力比為時的疲勞裂紋擴展速率。
8、本專利技術所提供的預測金屬材料疲勞裂紋擴展速率的方法的有益效果是：
9、1、基于不同應力比下疲勞裂紋擴展行為由擴展過程中消耗的能量決定這一原理，提出與材料無關、僅與應力比有關的等效因子，并將其引入paris公式中，構建一個新的疲勞裂紋擴展速率模型，能夠更全面地考慮應力對疲勞裂紋擴展速率的影響，從而提高對疲勞裂紋擴展預測的準確性；
10、2、建立等效因子與應力比的關系式，由于等效因子是一個與材料無關的參數，因此，新的疲勞裂紋擴展速率模型可以適用于多種材料，具有更廣泛的適用性；
11、3、在實際預測金屬材料疲勞裂紋擴展速率時，僅需將任意一個應力比下的疲勞裂紋擴展曲線基于paris公式擬合，得到與材料有關的參數、和應力強度因子變化范圍，之后將乘以該應力比下的等效因子，得到應力比時的應力強度因子變化范圍，再將除以目標應力比下的等效因子，得到應力比下應力強度因子變化范圍，將、和帶入paris公式中，即可得到應力比為時的疲勞裂紋擴展速率，步驟簡單、計算量小，僅需對試驗得到的初始的應力強度因子變化范圍進行一次乘法運算和一次除法運算，即可得到目標應力比下的應力強度因子變化范圍，將其與擬合得到的和一同帶入paris公式，即可實現對目標應力比下疲勞裂紋擴展速率的預測，很大程度上節約了試驗時間與試驗費用。
12、通過上述設置，本專利技術完成了對現有金屬疲勞裂紋擴展速率預測方法的改良升級，有效解決了現有技術中金屬材料疲勞裂紋擴展預測方法的計算量大、步驟復雜，導致其預測結果誤差大的技術問題。
13、進一步地，所述等效應力因子的計算公式為：，式中：-等效應力因子，-單位時間內的能量消耗，-裂紋表面積，-材料的彈性模量。
14、進一步地，所述單位時間內的能量消耗的計算公式為：，式中：-單位時間內的能量消耗，-每循環總能耗，-每周期加載時間。
15、進一步地，所述每循環總能耗的計算公式為：，式中：-每循環總能耗，-裂紋尖端張開時的能量消耗，-每周期加載時間，-循環應力為時的拐點，-遲滯系數。
16、進一步地，所述遲滯系數的計算公式為：，式中：-遲滯系數，-循環應力為時的拐點。
17、進一步地，所述循環應力為時的拐點的計算公式為：，式中：-循環應力為時的拐點，-應力比。
18、進一步地，所述裂紋尖端張開時的能量消耗的計算公式為：，式中：-裂紋尖端張開時的能量消耗，-能量釋放率，-裂紋表面積。
19、進一步地，所述能量釋放率的計算公式為：，式中：-能量釋放率，-應力強度因子，-材料的彈性模量。
20、進一步地，所述應力強度因子的計算公式為：，式中：-應力強度因子，-應力強度因子的最大值，-應力比，-每周期加載時間，其取值范圍為。
21、進一步地，所述paris公式為：，式中：-裂紋深度或寬度，-應力循環次數，、-和材料有關的參數，-應力強度因子變化范圍。
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1.一種預測金屬材料疲勞裂紋擴展速率的方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的預測金屬材料疲勞裂紋擴展速率的方法，其特征在于，所述等效應力因子的計算公式為：，式中：-等效應力因子，-單位時間內的能量消耗，-裂紋表面積，-材料的彈性模量。
3.根據權利要求2所述的預測金屬材料疲勞裂紋擴展速率的方法，其特征在于，所述單位時間內的能量消耗的計算公式為：，式中：-單位時間內的能量消耗，-每循環總能耗，-每周期加載時間。
4.根據權利要求3所述的預測金屬材料疲勞裂紋擴展速率的方法，其特征在于，所述每循環總能耗的計算公式為：，式中：-每循環總能耗，-裂紋尖端張開時的能量消耗，-每周期加載時間，-循環應力為時的拐點，-遲滯系數。
5.根據權利要求4所述的預測金屬材料疲勞裂紋擴展速率的方法，其特征在于，所述遲滯系數的計算公式為：，式中：-遲滯系數，-循環應力為時的拐點。
6.根據權利要求5所述的預測金屬材料疲勞裂紋擴展速率的方法，其特征在于，所述循環應力為時的拐點的計算公式為：，式中：-循環應力為時的拐點，-應力比。<...
【技術特征摘要】
1.一種預測金屬材料疲勞裂紋擴展速率的方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的預測金屬材料疲勞裂紋擴展速率的方法，其特征在于，所述等效應力因子的計算公式為：，式中：-等效應力因子，-單位時間內的能量消耗，-裂紋表面積，-材料的彈性模量。
3.根據權利要求2所述的預測金屬材料疲勞裂紋擴展速率的方法，其特征在于，所述單位時間內的能量消耗的計算公式為：，式中：-單位時間內的能量消耗，-每循環總能耗，-每周期加載時間。
4.根據權利要求3所述的預測金屬材料疲勞裂紋擴展速率的方法，其特征在于，所述每循環總能耗的計算公式為：，式中：-每循環總能耗，-裂紋尖端張開時的能量消耗，-每周期加載時間，-循環應力為時的拐點，-遲滯系數。
5.根據權利要求4所述的預測金屬材料疲勞裂紋擴展速率的方法，其特征在于，所述遲滯系數的計算公式為：，式中：-遲滯系數，-循環應力為時的拐點。
6.根據權利要求5所述的預測金屬材料疲勞裂紋擴...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李鶴飛，韓璐璐，楊紹普，劉永強，劉鵬飛，顧曉輝，劉澤潮，劉文朋，
申請(專利權)人：石家莊鐵道大學，
類型：發明
國別省市：
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