一种基于多因素融合修正的结构件裂纹扩展预测方法

摘要

本发明公开一种基于多因素融合修正的结构件裂纹扩展预测方法。对结构件裂纹扩展造成影响的众多因素考虑在内，包括结构件初始裂纹形貌特征、结构件裂纹根部的应力强度、残余应力的测量与修正、应力比计算、尺寸修正参数的计算、表面制造加工质量修正参数的选取等，使预测结果精度得到大幅度提高，从而实现结构件裂纹扩展的准确有效预测。

说明书

技术领域

本发明属于机械检测领域，尤其是一种结构件裂纹扩展预测方法。

背景技术

随着社会的进步，大量设备都朝着大型化的方向发展。在这样的背景前提下， 微小的裂纹损伤就会造成巨大的断裂损失，因此对设备或构件的裂纹扩展进行预 测以掌握其扩展规律是必要且紧迫的。裂纹扩展的预测理论很多，但往往单纯基 于这些理论所预测出的结果的精度较差，其主要原因在于有很多外部因素会对预 测结果造成影响。对结构件裂纹扩展造成影响的因素很多，通常包括：结构因素、 应力比、平均应力、载荷类型、制造加工因素等。对构件裂纹扩展信息进行预测 的研究很多，但多集中在通过单一因素的修正来提高裂纹扩展预测结果的精度， 以实现构件运行状态和剩余寿命的精确评估，所以考虑因素过少且不能实现多因 素条件下的同时修正所造成的预测精度较低是目前这一研究领域存在的共性问 题。

故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供了一种提供结构件裂纹扩展预 测精度的预测方法。

为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：

一种基于多因素融合修正的结构件裂纹扩展预测方法，该方法包括以下步 骤：

S1.结构件初始裂纹形貌特征的确定：

通过反求的手段对结构件裂纹区域进行扫描，并根据扫描数据确定结构件的 初始裂纹长度、裂纹方向；

S2.结构件裂纹根部的应力强度计算：

建立结构件的三维模型，结合S1的数据对三维模型进行修正，并运用有限 元分析软件对修正后的模型进行应力强度分析，以确定构件裂纹根部的应力分布 情况；

S3.残余应力的测量与修正：

对结构件裂纹尖端的残余应力进行测量以获得裂纹尖端的残余应力的分布 状态，并将测量结果与S2的计算结果一起代入修正公式完成修正得到基于残余 应力修正后的应力幅值；

S4.基于分段原理的应力比计算：

根据采集的实际工况下的非规律性随机载荷历程，采用分段原则计算出应力 比；

S5.尺寸修正参数的计算：

根据S2的计算结果及材料试样的应力状态分布计算结构件所对应的尺寸修 正参数；

S6.表面制造加工质量修正参数的选取：

确定工艺类型，并根据实测的表面硬度选取出与结构件所对应的表面制造加 工质量修正参数；

S7.基于多因素修正的结构件剩余寿命预测：

将S1-S6的计算结果代入基于多因素修正的结构件裂纹扩展预测算法来完 成结构件裂纹扩展信息的预测。

与现有技术相比，本发明能够将所有能够对结构件裂纹扩展造成影响的众多 因素考虑在内，并通过上述操作步骤可以有效地避免现有技术存在的考虑因素少 的弊端，预测结果精度得到大幅度提高，从而实现结构件裂纹扩展的准确有效预 测。

附图说明

图1是本发明基于多因素融合修正的结构件裂纹扩展预测方法的流程框图。

图2是本发明中结构件初始裂纹形貌特征确定的流程框图。

具体实施方式

请参阅图1及图2所示，本发明公开了一种基于多因素融合修正的结构件裂 纹扩展预测方法。

该方法包括以下步骤：

S1.构件初始裂纹形貌特征的确定

通过反求的手段对结构件裂纹区域进行扫描，并根据扫描数据确定构件的初 始裂纹长度等裂纹形貌特征；

S2.构件裂纹根部的应力强度计算

根据图纸建立分析构件的三维模型，根据S1扫描、处理后得到的裂纹区域 形貌重构特征数据对三维模型进行修正，将建立完毕后的三维修正模型导入到有 限元软件中，按网格划分、约束设置、载荷施加步骤完成构件有限元分析的前处 理，待前处理完毕后运用有限元分析软件对其应力强度进行分析，以获取其裂纹 根部区域的应力状态分布；

S3.残余应力的测量与修正

对实体构件裂纹根部区域的残余应力进行测量以获得结构件所对应的残余 应力分布状态，并将测量结果与S2的计算结果一起代入修正公式1完成修正；

${\sigma }^r={\sigma }_R-\left(\frac{{\sigma }_R}{{\sigma }_{\mathrm{bb}}}\right)\frac{(1+r)·{\sigma }_{\max }}{2}={\sigma }_{-1}-(1-w)·\frac{(1+r)·{\sigma }_{\max }}{2}---\left(1\right)$

σ^r为基于残余应力修正后的应力幅值；σ_max为最大应力；r为应力比；σ_bb为 抗拉强度；σ_R为对应的分析强度；w为富裕应力缓释放敏感系数。

S4.基于分段原理的应力比计算

根据采集的实际工况下的非规律性随机载荷历程，采用分段原则计算出应力 比。

对于一个存在(t_i,σ_i)对应关系的载荷谱来说，其平均应力σ_m可表示为：

${\sigma }_m=\frac{{\sigma }_1+{\sigma }_2+···+{\sigma }_n}{n}---\left(2\right)$

其中载荷谱可以表示为σ_i＝f(t_i)，令f(t)＝σ_m，可得对应于平均应力σ_m的 时间分量t_q(q＝1,2,3......m)。

由于载荷的循环特性，按照载荷谱上的时间顺序在时间轴上依次选取两个 点，则根据载荷谱的循环特性对其进行分段后则形成(t₀,t₂)，(t₂,t₄)，(t₅,t₇)......。 即在分段数据中至少存在两点，使得σ_t>σ_m且σ_t+1<σ_m。

待分段完毕后再按式3对应力比进行求解

$r=\frac{{\sigma }_{\min }^{\prime }}{{\sigma }_{\max }^{\prime }}---\left(3\right)$

S5.尺寸修正参数的计算

将S2的计算结果及材料试样所对应的应力状态分布情况代入式4计算结构 件的尺寸修正参数；

$ϵ=\frac{\underset{0}{\overset{L}{\int }}(B_1+B_2{L}^{\prime }+B_3{L}^{\prime 2}+B_4{L}^{\prime 3})\mathrm{dL}}{\underset{0}{\overset{L}{\int }}(A_1+A_{2}L+A_3{L}^2+A_4{L}^3)\mathrm{dL}}---\left(4\right)$

应力场函数也可通过应力场中应力积分路径下某点距离最大局部应力根部 的距离L(i)来表示，即

f(x₁,x₂)＝A₁+A₂L(i)+A₃L²(i)+A₄L³(i)       (5)

式中，A₁,A₂,A₃,A₄及B₁,B₂,B₃,B₄表示拟合函数表达式中的系数。如式(4) 所示，结构件尺寸修正参数为结构件与参照标准试样间应力场函数积分的比值。

S6.表面制造加工质量修正参数的选取

根据制造工艺卡片确定主要的工艺类型，并根据实测的表面硬度等数据选取 出与结构件所对应的表面制造加工质量修正参数；

表1常见处理方式所对应的表面制造加工质量修正参数

S7.基于多因素修正的结构件裂纹扩展预测

在完成上述计算过程的基础上，将S1-S6的计算结果代入基于多因素修正的 结构件裂纹扩展预测算法式6来完成结构件裂纹扩展信息的预测。

${\sigma }^r·[1-{({\sigma }_m/{\sigma }_u)}^2]·{\left(\frac{C}{N}\right)}^{-\frac{1}{m}}·ϵ·\beta =A/{\int }_0^A\frac{(L-L_0+R)}{\sqrt{2(L-L_0)R+R^2}}·\mathrm{dR}---\left(6\right)$

其中σ_r为基于残余应力修正后的应力幅值；σ_m为平均应力；σ_μ为材料的屈 服强度；A为为积分路径长度，积分方向为裂纹的延长线；L₀为裂纹的初始长 度；L为裂纹扩展后的长度；N为结构件的工作时间；ε为尺寸修正参数；β为 表面质量修正参数；R为应力场积分路径下的任意点与最大应力位置的距离；m， C为与材料、应力比有关的参数。

本发明的进一步技术方案是：所述的步骤S1中，包括以下具体工序：

S1.1.样件测量前的准备以及在工作台上的定位：测量前首先要根据结构件 的具体形状和测量要求对其作定位分析和布置，以满足最佳的测量效果，使获得 的数据能满足三维模型的要求；

S1.2.启动扫描系统获取点云数据：在完成覆盖件样件的定位工作后，开始 启动3D光学扫描测量系统进行扫描测量工作；

S1.3.点云数据的分析处理：将获得的点云数据导入逆向工程数据处理软件 中进行处理，包括点云数据的拼合、数据的精简，以保证获得最佳的点云数据， 能真实的反映样件的几何形状；

S1.4.裂纹形貌区域的提取：提取结构件裂纹区域的大致形貌，并在选取多基 准点的前提下对相应裂纹区域进行分割取样；

S1.5.裂纹形貌特征数据的确定：根据三维点云数据的分割取样结果对裂纹形 貌特征进行重构，从而获得较为精确的裂纹区域形貌特征。

本发明的进一步技术方案是：所述的步骤S3中，包括以下具体工序：

S3.1根据S2的计算结果，根据裂纹扩展的尖端区域范围来确定结构件中需 要进行重点测量残余应力的区域；

S3.2对S3.1中已确定的区域进行电解抛光。根据结构件的实际情况确定抛 光过程的最佳电流与电压设置参数，并采用这一最佳设置参数完成结构件关键区 域的抛光；

S3.3对S3.2已处理完毕的区域进行残余应力的测量。根据结构件的实际情 况确定残余应力测量过程中的最佳测量方法、计数时间及定峰方法，并采用这一 最佳设置参数完成结构件关键区域的残余应力的测试；

S3.4对S3.3的结果进行数据统计以合成三维残余应力分布图，并将分析所 得到的三维应力分布结果与S2的分析结果一起代入修正公式来完成修正过程。

另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施 方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的 前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范 围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。