本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)力學(xué)，尤其涉及一種隨機(jī)譜下插入高載等幅循環(huán)的標(biāo)識(shí)載荷方法。

背景技術(shù)：

1、疲勞斷裂是材料/結(jié)構(gòu)在交變載荷作用下經(jīng)歷裂紋萌生、擴(kuò)展直至最終斷裂的復(fù)雜演化過(guò)程。實(shí)際結(jié)構(gòu)受載復(fù)雜，復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料和結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋通常呈現(xiàn)為三維形態(tài)，裂紋擴(kuò)展路徑常出現(xiàn)非平面化的復(fù)雜演變，包括路徑轉(zhuǎn)折、分叉和次級(jí)裂紋萌生等，裂紋平面發(fā)生傾斜，裂紋前緣形態(tài)也呈現(xiàn)出高度不規(guī)則的幾何特征。真實(shí)完整的再現(xiàn)三維裂紋擴(kuò)展路徑、裂紋前緣形狀和裂紋尺寸對(duì)闡明復(fù)雜的三維裂紋擴(kuò)展行為、揭示裂紋擴(kuò)展規(guī)律以及建立疲勞壽命評(píng)定方法具有重要的意義。

2、鑒于三維裂紋的復(fù)雜性，基于斷口定量判讀(quantitative?fractography，qf)的方法成為最為有效的方法。由于交變載荷會(huì)在疲勞斷口上留下疲勞條帶，在sem或om下進(jìn)行斷口判讀，疲勞條帶可以和變幅載荷譜中特定載荷(如高載、欠載)建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而通過(guò)斷口圖像定量判讀來(lái)獲得裂紋前緣形貌和循環(huán)壽命的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并以fcg曲線的形式重構(gòu)裂紋擴(kuò)展過(guò)程，可以獲得裂紋萌生的時(shí)間、定位裂紋萌生的缺陷位置、檢測(cè)裂紋擴(kuò)展或斷裂的時(shí)間、失效發(fā)生的臨界尺寸以及導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展的載荷條件。評(píng)估結(jié)果可以為含同類裂紋的相似部件進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)、設(shè)置檢查間隔等。

3、但是由于裂紋面非理想平面、疲勞輝紋間隔小(μm量級(jí))、sem視場(chǎng)有限，要全面、精準(zhǔn)的再現(xiàn)裂紋信息需要經(jīng)濟(jì)、時(shí)間成本非常大。特別是隨機(jī)載荷譜的構(gòu)成十分復(fù)雜，高低載荷存在交互作用，載荷痕跡難以與載荷譜時(shí)間歷程匹配。使得基于高載疲勞輝紋的疲勞裂紋擴(kuò)展fcg獲取極度依賴于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，受主觀因素干擾較大。并且由于材料局部應(yīng)力狀態(tài)和微組織結(jié)構(gòu)，斷口表面存在混沌區(qū)，載荷痕跡存在中斷、不連續(xù)的現(xiàn)象，無(wú)法準(zhǔn)確獲得疲勞裂紋擴(kuò)展fcg數(shù)據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種隨機(jī)譜下插入高載等幅循環(huán)的標(biāo)識(shí)載荷方法，通過(guò)在疲勞載荷譜中定期插入標(biāo)識(shí)載荷，在斷口上留下可供判讀的標(biāo)識(shí)線，確定三維裂紋擴(kuò)展信息。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種隨機(jī)譜下插入高載等幅循環(huán)的標(biāo)識(shí)載荷方法，包括：

3、采用當(dāng)量初始缺陷尺寸和斷裂力學(xué)方法，對(duì)目標(biāo)對(duì)象在變幅譜下的壽命進(jìn)行裂紋擴(kuò)展模擬分析，獲得裂紋長(zhǎng)度-飛行時(shí)間關(guān)系；

4、根據(jù)所述裂紋長(zhǎng)度-飛行時(shí)間關(guān)系確定標(biāo)識(shí)載荷插入間隔，獲得預(yù)設(shè)插入點(diǎn)，通過(guò)所述標(biāo)識(shí)載荷插入間隔確定標(biāo)識(shí)載荷插入位置，并確定標(biāo)識(shí)載荷參數(shù)；

5、基于所述標(biāo)識(shí)載荷參數(shù)，開(kāi)展疲勞試驗(yàn)，獲得標(biāo)示線判讀結(jié)果和損傷規(guī)律。

6、優(yōu)選地，對(duì)所述目標(biāo)對(duì)象在變幅譜下的壽命進(jìn)行模擬分析包括：

7、確定當(dāng)量初始缺陷尺寸eids，通過(guò)所述當(dāng)量初始缺陷尺寸求解三維裂紋前緣的應(yīng)力強(qiáng)度因子，對(duì)含初始裂紋模擬件進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析，根據(jù)nasgro裂紋擴(kuò)展模型進(jìn)行裂紋擴(kuò)展模擬，獲得全壽命期內(nèi)的裂紋擴(kuò)展過(guò)程，進(jìn)而確定標(biāo)識(shí)載荷參數(shù)。

8、優(yōu)選地，對(duì)所述含初始裂紋模擬件進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析為：

9、

10、式中，vnasgro為nasgro裂紋擴(kuò)展模型下的擴(kuò)展速率，δai為裂紋前緣一點(diǎn)處的裂紋擴(kuò)展步長(zhǎng)，δamid為裂紋前緣中部的裂紋擴(kuò)展步長(zhǎng)，δki為裂紋前緣某點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子變程，δkmid為裂紋前緣中點(diǎn)處的應(yīng)力強(qiáng)度因子變程。

11、優(yōu)選地，所述nasgro裂紋擴(kuò)展模型下的擴(kuò)展速率為：

12、

13、式中，f為newman裂紋閉合函數(shù)，c、n、p、q均為材料常數(shù)，δkth為裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值，kc為斷裂韌性，a為裂紋長(zhǎng)度，n為循環(huán)數(shù)量，r為應(yīng)力比，δk為應(yīng)力強(qiáng)度因子變程，kmax為循環(huán)中峰值應(yīng)力強(qiáng)度因子。

14、優(yōu)選地，當(dāng)首次出現(xiàn)kmax≥kc時(shí)，裂紋擴(kuò)展模擬結(jié)束，得到所述標(biāo)識(shí)載荷參數(shù)，獲得預(yù)測(cè)全壽命過(guò)程的裂紋長(zhǎng)度-飛行時(shí)間關(guān)系。

15、優(yōu)選地，確定所述標(biāo)識(shí)載荷插入間隔，獲得預(yù)設(shè)插入點(diǎn)，包括：

16、根據(jù)裂紋擴(kuò)展模擬結(jié)果，確定lga-t的近似線段，并基于臨界裂紋尺寸、裂紋長(zhǎng)度-飛行時(shí)間關(guān)系曲線，在臨界裂紋尺寸以下，以預(yù)設(shè)規(guī)則確定等裂紋增長(zhǎng)量或者等壽命間隔；其中，所述預(yù)設(shè)規(guī)則為近似線段內(nèi)包含固定數(shù)量的有效標(biāo)識(shí)線。

17、優(yōu)選地，確定所述標(biāo)識(shí)載荷插入位置包括：

18、依次尋找距所述預(yù)設(shè)插入點(diǎn)最近的x級(jí)以上高載，將標(biāo)識(shí)載荷插入到相應(yīng)高載前，其中，標(biāo)識(shí)載荷峰值選為第x級(jí)高載。

19、優(yōu)選地，所述標(biāo)識(shí)載荷參數(shù)包括標(biāo)識(shí)載荷峰值、應(yīng)力比、循環(huán)數(shù)量；

20、其中，確定所述標(biāo)識(shí)載荷峰值包括：

21、根據(jù)所述標(biāo)識(shí)載荷插入間隔對(duì)隨機(jī)譜進(jìn)行分段，然后對(duì)各段隨機(jī)載荷譜進(jìn)行峰值統(tǒng)計(jì)，再分段確定各段的峰值載荷；

22、或者將峰值進(jìn)行排序，獲取前n級(jí)峰值大小的對(duì)應(yīng)系數(shù)和出現(xiàn)次數(shù)、位置推薦，繪制高載位置統(tǒng)計(jì)圖，將載荷譜轉(zhuǎn)換為譜矩陣的形式，獲得所述標(biāo)識(shí)載荷峰值。

23、優(yōu)選地，確定所述循環(huán)數(shù)量包括：

24、根據(jù)所述標(biāo)識(shí)載荷插入位置，采用裂紋擴(kuò)展模型，計(jì)算每處標(biāo)識(shí)線與隨機(jī)譜擴(kuò)展步長(zhǎng)為δaml＝min(0.05δabl,0.02mm)的標(biāo)識(shí)線循環(huán)數(shù)nml,i，具體為：

25、

26、式中，f為newman裂紋閉合函數(shù)，δkth為裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值，kc為斷裂韌性，a為裂紋長(zhǎng)度，r為應(yīng)力比，δk為應(yīng)力強(qiáng)度因子變程，kmax為循環(huán)中峰值應(yīng)力強(qiáng)度因子，c、n、p、q均為材料常數(shù)，ai為當(dāng)前未知裂紋長(zhǎng)度，δaml為標(biāo)識(shí)線寬度。

27、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：

28、(1)本發(fā)明中的斷口在光學(xué)顯微鏡、掃面電子顯微鏡下標(biāo)識(shí)線清晰，和隨機(jī)基準(zhǔn)譜的裂紋擴(kuò)展面具有鮮明的對(duì)比特征；

29、(2)本發(fā)明中的標(biāo)識(shí)線間距合理，能夠有效提供足夠的裂紋前緣-飛行時(shí)間數(shù)據(jù)組；

30、(3)本發(fā)明中的標(biāo)識(shí)線寬窄合理，額外損傷引入小，不會(huì)對(duì)原隨機(jī)譜的嚴(yán)重程度造成明顯改變。

技術(shù)特征：

1.一種隨機(jī)譜下插入高載等幅循環(huán)的標(biāo)識(shí)載荷方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機(jī)譜下插入高載等幅循環(huán)的標(biāo)識(shí)載荷方法，其特征在于，對(duì)所述目標(biāo)對(duì)象在變幅譜下的壽命進(jìn)行模擬分析包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的隨機(jī)譜下插入高載等幅循環(huán)的標(biāo)識(shí)載荷方法，其特征在于，對(duì)所述含初始裂紋模擬件進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的隨機(jī)譜下插入高載等幅循環(huán)的標(biāo)識(shí)載荷方法，其特征在于，所述nasgro裂紋擴(kuò)展模型下的擴(kuò)展速率為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的隨機(jī)譜下插入高載等幅循環(huán)的標(biāo)識(shí)載荷方法，其特征在于，當(dāng)首次出現(xiàn)kmax≥kc時(shí)，裂紋擴(kuò)展模擬結(jié)束，得到所述標(biāo)識(shí)載荷參數(shù)，獲得預(yù)測(cè)全壽命過(guò)程的裂紋長(zhǎng)度-飛行時(shí)間關(guān)系。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機(jī)譜下插入高載等幅循環(huán)的標(biāo)識(shí)載荷方法，其特征在于，確定所述標(biāo)識(shí)載荷插入間隔，獲得預(yù)設(shè)插入點(diǎn)，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的隨機(jī)譜下插入高載等幅循環(huán)的標(biāo)識(shí)載荷方法，其特征在于，確定所述標(biāo)識(shí)載荷插入位置包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的隨機(jī)譜下插入高載等幅循環(huán)的標(biāo)識(shí)載荷方法，其特征在于，所述標(biāo)識(shí)載荷參數(shù)包括標(biāo)識(shí)載荷峰值、應(yīng)力比、循環(huán)數(shù)量；

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的隨機(jī)譜下插入高載等幅循環(huán)的標(biāo)識(shí)載荷方法，其特征在于，確定所述循環(huán)數(shù)量包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種隨機(jī)譜下插入高載等幅循環(huán)的標(biāo)識(shí)載荷方法，包括：采用當(dāng)量初始缺陷尺寸和斷裂力學(xué)方法，對(duì)目標(biāo)對(duì)象在變幅譜下的壽命進(jìn)行裂紋擴(kuò)展模擬分析，獲得裂紋長(zhǎng)度?飛行時(shí)間關(guān)系；根據(jù)所述裂紋長(zhǎng)度?飛行時(shí)間關(guān)系確定標(biāo)識(shí)載荷插入間隔，獲得預(yù)設(shè)插入點(diǎn)，通過(guò)所述標(biāo)識(shí)載荷插入間隔確定標(biāo)識(shí)載荷插入位置，并確定標(biāo)識(shí)載荷參數(shù)；基于所述標(biāo)識(shí)載荷參數(shù)，開(kāi)展疲勞試驗(yàn)，獲得標(biāo)示線判讀結(jié)果和損傷規(guī)律。本發(fā)明通過(guò)在疲勞載荷譜中定期插入標(biāo)識(shí)載荷，在斷口上留下可供判讀的標(biāo)識(shí)線，由此確定三維裂紋擴(kuò)展信息，大大提高了效率、降低了成本。

技術(shù)研發(fā)人員：賀小帆,王金宇,黨霖薇,李天馳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15