结构损伤模型参数反演验证有效

2023-08-26 理论教育版权反馈

【摘要】：图3.6模型参数随应力幅Δτ变化的曲线图3.7用多尺度模型计算得到疲劳损伤演化曲线与实验测试结果的比较图3.8疲劳损伤演化模型分析结果验证为验证多尺度模型在描述微细观尺度下疲劳裂纹扩展行为方面的有效性，根据测试结果和反演的参数AΔγα，用式计算得到在低周疲劳中微裂纹扩展的数量级为10－8～10－7 m／cycle，在10－8～10－7 m／cycle高周疲劳中微裂纹的扩展数量级为10－10～10－9 m／cycle。

上述提出的疲劳损伤多尺度演化模型中包含的主要模型参数有：表征不同材料具有的微裂纹成核性能的参数L（参见公式（3－10）），以及表征不同材料在不同工况下微裂纹扩展性能的参数A，Δγ，α（参见公式（3－11））。这些模型参数可以利用根据有效应力概念所测的随疲劳循环次数N／Nf增加而增加疲劳损伤量D的实验数据来反演得到。

文献［14］对SAE 1038材料在剪应力幅Δτ为1 200 MPa、1 050 MPa、830 MPa、400 MPa、275 MPa的作用下进行了疲劳扭转实验。依据相关测试数据获得疲劳累积损伤值，可分别拟合得到表征微裂纹成核与扩展性能的参数。根据SAE 1038材料在剪应力幅为1 200MPa、1 050MPa、830MPa、400MPa、275MPa的作用下的疲劳扭转实验所获得的表征微裂纹成核与扩展性能的参数拟合得到的模型参数L，AΔγα，Nf与剪应力幅Δτ之间的关系如图3.6所示。

利用反演得到的模型参数计算得到的疲劳损伤演化曲线与实验数据的比较如图3.7所示。由图3.7可见，对于高应力幅（1 200 MPa、1 050 MPa、830 MPa）下发生的低周疲劳，由多尺度疲劳损伤模型计算得到的结果与疲劳实验结果的误差要大于在低应力幅（400 MPa、275 MPa）下的高周疲劳实验结果。这主要是因为，由于在高应力水平下微裂纹突破晶界阻碍作用继续扩展的概率更大，因此低周疲劳在微裂纹成核与扩展阶段所消耗掉疲劳寿命的比例相对于高周疲劳小。由此可见，新建立的多尺度疲劳损伤模型更适用于描述在微裂纹成核与扩展阶段占更高消耗寿命比的高周疲劳问题。

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图3.6　模型参数随应力幅Δτ变化的曲线

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图3.7　用多尺度模型计算得到疲劳损伤演化曲线与实验测试结果的比较

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图3.8　疲劳损伤演化模型分析结果验证

为验证多尺度模型在描述微细观尺度下疲劳裂纹扩展行为方面的有效性，根据测试结果和反演的参数AΔγα，用式（3－11）计算得到在低周疲劳（1 200 MPa、1 050 MPa、830 MPa）中微裂纹扩展的数量级为10－8～10－7 m／cycle，在10－8～10－7 m／cycle高周疲劳（400 MPa、350 MPa）中微裂纹的扩展数量级为10－10～10－9 m／cycle。这与微细观尺度下进行的疲劳实验测得的同类材料微裂纹扩展数据基本吻合。

综上所述，所建立的多尺度模型既能合理地描述宏观尺度下不同应力水平的疲劳损伤演化过程，又能综合反映在微细观尺度下微裂纹的成核与扩展的群体行为。利用所建立的多尺度疲劳损伤模型可以预测结构在疲劳微裂纹成核与扩展阶段的损伤演化过程，预测结果对于高周疲劳问题要优于低周疲劳问题。因此，提出的模型更适用于高周疲劳损伤分析及其寿命预测。该模型建立了疲劳损伤演化过程中客观存在的微观裂纹扩展行为与宏观上的疲劳累积与寿命之间的桥梁，可为各类结构疲劳损伤累积过程评估和准确进行寿命预测提供一种新途径。

结构损伤模型参数反演验证有效

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