超高周疲勞裂紋萌生時(shí)間計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鐵系材料超高周疲勞耦合作用損傷的壽命計(jì)算分析領(lǐng)域，尤其涉及超 高周疲勞裂紋萌生時(shí)間計(jì)算分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超高周疲勞的壽命預(yù)測(cè)對(duì)構(gòu)件設(shè)計(jì)和設(shè)備維護(hù)具有重要的指導(dǎo)意義，但是，由于 其產(chǎn)機(jī)理的復(fù)雜性，現(xiàn)有理論與實(shí)踐數(shù)據(jù)之間還存在偏差，因而，現(xiàn)有的理論還有待改進(jìn)， 尤其在裂紋萌生模型方面現(xiàn)有的定量模型非常缺乏，它一般假定材料內(nèi)部本來(lái)就有裂紋， 因此大多研宄的是裂紋擴(kuò)展模型，即便在擴(kuò)展模型的研宄方面也主要是靜態(tài)模型、單因素 模型。
[0003] 因此，在理論上缺乏一個(gè)材料內(nèi)部裂紋尺寸為零的定量研宄模型，另外，在實(shí)際 工程中，通常是多因素耦合作用于構(gòu)件，因此研宄多因素耦合作用的裂紋萌生的定量模型 在實(shí)踐上更有意義。在定量模型研宄方面，Paris利用裂紋擴(kuò)展模型
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種超高周疲勞裂紋萌生時(shí)間計(jì)算方法，其特征在于： 在交變載荷下，構(gòu)件承受力的作用，構(gòu)件發(fā)生微小變形，以勢(shì)能的形式吸收能量，構(gòu)件 內(nèi)部某處應(yīng)力集中，少數(shù)晶格發(fā)生位錯(cuò)，分子間距改變，局部溫度升高，產(chǎn)生熱膨脹，有了熱 應(yīng)力，同時(shí)，由于局部溫度升高，局部地區(qū)的材料力學(xué)性能發(fā)生變化，屈服強(qiáng)度和裂紋門檻 值變小，產(chǎn)生非常微小裂紋；裂紋的產(chǎn)生一方面要形成表面能，一方面，要產(chǎn)生應(yīng)變，形成勢(shì) 能，并以斷裂能的形式吸收部分外功；外界繼續(xù)做同樣大小或同樣變化的功，變化繼續(xù)發(fā) 生； 若構(gòu)件的表面能固定，應(yīng)變不再發(fā)生，勢(shì)能保持恒定，外界做的功由構(gòu)件內(nèi)部消耗；構(gòu) 件以更大的應(yīng)變使勢(shì)能增加、局部應(yīng)力增大，原有裂紋的表面能增加，當(dāng)裂紋的表面能和勢(shì) 能的增加不足以消耗外在的功時(shí)，斷裂能必須增加，熱能增大，裂紋進(jìn)行小幅度擴(kuò)展；若構(gòu) 件的表面能不足以吸收完全時(shí)，裂紋再擴(kuò)張，裂紋擴(kuò)展的面積使得構(gòu)件外邊面表面屈服強(qiáng) 度小于外在的功作用在構(gòu)件截面的強(qiáng)度和膨脹力的合力，構(gòu)件的外表面產(chǎn)生裂紋，以形成 新的斷裂面的形式來(lái)消耗外在的功，并走向斷裂。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高周疲勞裂紋萌生時(shí)間計(jì)算方法，其特征在于：外界的所 作的功轉(zhuǎn)化為構(gòu)件的勢(shì)能、表面能、斷裂能和熱能，任意一次外界給予的功=表面調(diào)理能+ 構(gòu)件發(fā)生形變所引起的勢(shì)能+構(gòu)件吸收的熱能+被環(huán)境帶走的熱能+內(nèi)部裂紋表面能+內(nèi) 部裂紋斷裂能+內(nèi)部裂紋形變勢(shì)能； 構(gòu)件的某時(shí)的狀態(tài)是過(guò)去時(shí)間里外界給予的功與自身吸收能量平衡的結(jié)果，即 AWt=AUt，其中AWt表示任意時(shí)間段t內(nèi)外界輸入的功，AUt表示時(shí)間段t內(nèi)構(gòu)件 內(nèi)能的變化量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超高周疲勞裂紋萌生時(shí)間計(jì)算方法，其特征在于：裂紋能否 擴(kuò)展的判據(jù)是某個(gè)時(shí)刻作用于材料的力與材料當(dāng)時(shí)的機(jī)械性能的大小比較。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超高周疲勞裂紋萌生時(shí)間計(jì)算方法，其特征在于：所述表面 調(diào)理能，構(gòu)件的表面具有表面能，在交變載荷作用下，表面不斷地發(fā)生應(yīng)變的變化，氧化加 劇，改變了構(gòu)件表面的原子間的距離，直至形成致密氧化層，在超高周作用模式下，單位面 積h的應(yīng)力不足以引起表面發(fā)生應(yīng)變，應(yīng)變的發(fā)生幾乎為零：
其中，〇是應(yīng)力，ds是構(gòu)件橫截面上，構(gòu)件表面不發(fā)生應(yīng)變的橫截面面積，G是構(gòu)件升 長(zhǎng)量；〇i是截面的平均應(yīng)力，〇 2是硬化強(qiáng)度，da是表面厚度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超高周疲勞裂紋萌生時(shí)間計(jì)算方法，其特征在于：所述內(nèi)部 裂紋表面能Ub= 〇b*A 其中，〇b表示金屬的表面能量，A=Jr| 2,表示裂紋區(qū)的表面積，|表示裂紋的半徑。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超高周疲勞裂紋萌生時(shí)間計(jì)算方法，其特征在于：所述內(nèi) 部裂紋斷裂能，內(nèi)部裂紋延展時(shí)，克服斷裂能，形成塑性區(qū)+ 0q(T)是屈服強(qiáng)度，它是溫度的函數(shù)，隨著溫度的升高而降低，(i)是裂紋擴(kuò)展面積，ez材料 的最大塑性變形量；P是塑性區(qū)面積，Y是塑性變形量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超高周疲勞裂紋萌生時(shí)間計(jì)算方法，其特征在于：所述內(nèi)部 裂紋形變勢(shì)能，內(nèi)部裂紋形成后，裂紋區(qū)應(yīng)力集中，材料發(fā)生形變，形成勢(shì)能，雜質(zhì)氣體容易 析出，填補(bǔ)裂紋空間，材料變形時(shí)，氣體受壓，產(chǎn)生內(nèi)壓力：
其中K(T)是隨溫度變化的構(gòu)件材料的彈性系數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超高周疲勞裂紋萌生時(shí)間計(jì)算方法，其特征在于：所述熱能， 外力作用下，構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域由于周期性運(yùn)動(dòng)、塑性變形原因，熱能增加，溫度上升， 產(chǎn)生一個(gè)具有一定分布規(guī)律的瞬時(shí)態(tài)溫度場(chǎng)，在產(chǎn)生熱的那一刻直至構(gòu)件斷裂，構(gòu)件上溫 度隨時(shí)間、半徑和構(gòu)件長(zhǎng)度變化； 整個(gè)軸上吸收的熱量：
熱對(duì)流散失的熱量： Qcv=k*A*AT K是表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，A是對(duì)流換熱面積，△T是圓筒表面與空氣環(huán)境的溫度差； 熱輻射散射的熱量：
其中，是圓柱體的溫度，T2是空氣溫度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超高周疲勞裂紋萌生時(shí)間計(jì)算方法，其特征在于：所述彈性 勢(shì)能：
其中，ls是彈性形變的極限變形量。
10. 根據(jù)權(quán)利要求4至9之一所述的超高周疲勞裂紋萌生時(shí)間計(jì)算方法，其特征在于： W總=t(Q4+Qcv+Q5)+W彈+uw+us+ub+ud+u n
其中，P是密度，C是構(gòu)件材料比熱，I；是環(huán)境溫度，T是產(chǎn)生可觀測(cè)裂紋長(zhǎng)度時(shí)對(duì)應(yīng) 的溫度；令熱能的值為tB，其他的能量總和為C，進(jìn)而求得微裂紋生成時(shí)間t:
【專利摘要】本發(fā)明屬于鐵系材料超高周疲勞損傷耦合機(jī)理的定量化描述和壽命計(jì)算分析領(lǐng)域，尤其涉及超高周疲勞裂紋萌生時(shí)間計(jì)算分析方法。采用能量守恒原理、彈性力學(xué)和斷裂力學(xué)等原理，以空心軸為例，建立了三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)，提出了耦合作用下超高周疲勞裂紋萌生過(guò)程的定量化模型和時(shí)間計(jì)算方法，給出了新的裂紋萌生判據(jù)，并進(jìn)行了許用應(yīng)力設(shè)計(jì)推理；發(fā)現(xiàn)裂紋的擴(kuò)展是非連續(xù)的，外界作用時(shí)間的變化與裂紋長(zhǎng)度的變化是同方向的，變化的快慢受表面能和屈服極限影響。本方案的優(yōu)點(diǎn)是：本發(fā)明基于材料內(nèi)部裂紋尺寸為零的，多因素耦合作用的裂紋萌生的定量模型。對(duì)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中裂紋可觀測(cè)尺度裂紋萌生時(shí)間估計(jì)貢獻(xiàn)更為直接，且更為科學(xué)。
【IPC分類】G01N3-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104614227
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510082379
【發(fā)明人】方葉祥, 湯文成
【申請(qǐng)人】南京工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年2月15日