疲劳损伤演化方程必须能够描述绝大多数微裂纹成核与扩展行为的如下两个特征，即微裂纹的成核长度不超过晶粒的尺寸，以及微裂纹尖端扩展到第一个晶界处即停止扩展。由于此时的微裂纹已停止扩展，即：按照绝大多数微裂纹的成核与扩展行为和疲劳损伤变量的定义，得到多尺度疲劳损伤模型如下：同时得到多尺度疲劳损伤演化率为：......
2023-08-26
疲劳损伤演化过程分析案例：短、长裂纹共同扩展结构模拟与分析
【摘要】：图8.11短、长裂纹群体共同演化过程的多尺度模拟和分析结果综上所述，针对金属材料及结构在复杂服役环境下的高、低周疲劳交互作用的损伤问题，须在疲劳损伤演化过程中考虑短裂纹与长裂纹同时存在且共同演化的情况，建立结构中的宏观唯象疲劳损伤变量与材料内部群体短裂纹与长裂纹共同演化行为之间相互关联的关系的多尺度疲劳损伤模型。
以一个16Mn钢试件为分析案例，模拟该构件在616 MPa应力幅作用下疲劳短、长裂纹共同扩展导致的疲劳演化过程。试件原型如图8.9（a）所示。
图8.9 疲劳试样
为考虑在疲劳过程中材料内部微观构造对短裂纹成核与扩展行为的影响，需要建立考虑材料微观构造的多尺度分析模型。模型包含三个不同的子域，分别为宏观尺度域、微观尺度域和过渡区，如图8.10所示。
需要说明的是，一般情况下裂纹扩展方向是随机的，即使在荷载作用方向与裂纹为I型作用时，裂纹扩展方向也不一定是固定的，因为短裂纹在晶粒中的位置和方位具有随机性。考虑到疲劳损伤演化过程，损伤行为是由无数个短裂纹共同引起的群体效应，而非只关注单条或几条短裂纹的演化行为，因此这里可简化短裂纹的方向，在疲劳损伤演化过程模拟过程中只考虑I型裂纹。
图8.10 试样疲劳损伤多尺度模型（彩图见附录）
在所发展的模拟疲劳过程中短、长裂纹共同演化过程的方法中，基于疲劳损伤演化实验数据，利用所发展的多尺度疲劳损伤模型可以获得描述短、长裂纹演化行为的参数，如前述的表8.1。利用这些参数可以计算在疲劳过程中，在循环次数增量ΔN之间，短裂纹成核数目与扩展长度、能突破晶界继续扩展的短裂纹数目以及长裂纹的扩展长度。同时短裂纹的成核位置随机在疲劳损伤模拟计算程序中产生，并且以1－P的概率随机抽取能突破晶界继续扩展的短裂纹。
图8.11给出了利用所发展的方法模拟钢构件的短、长裂纹在疲劳过程中的群体演化行为。由图8.11可见，随着疲劳损伤累积，短裂纹的密度逐渐增加（由短裂纹的成核与扩展共同引起的），当短裂纹扩展到晶界时，大多数短裂纹会停止扩展，少数短裂纹会突破晶界阻碍的作用，继续扩展发展为长裂纹，然后根据长裂纹的扩展规律继续增长。案例分析的结果表明，利用所发展的方法可以通过建立的损伤演化模型和依据疲劳损伤演化实验数据反演获得的模型参数，来很好地模拟在疲劳损伤演化过程中钢材内部长、短裂纹共同扩展的过程。
图8.11 短、长裂纹群体共同演化过程的多尺度模拟和分析结果（彩图见附录）
综上所述，针对金属材料及结构在复杂服役环境下的高、低周疲劳交互作用的损伤问题，须在疲劳损伤演化过程中考虑短裂纹与长裂纹同时存在且共同演化的情况，建立结构中的宏观唯象疲劳损伤变量与材料内部群体短裂纹与长裂纹共同演化行为之间相互关联的关系的多尺度疲劳损伤模型。利用该多尺度疲劳损伤模型可建立在疲劳损伤演化过程中基于钢材微观构造图像的长、短裂纹共同演化行为模拟的方法。这方面的研究结果表明：
（1）利用所发展的高、低周疲劳交互作用下的疲劳损伤多尺度模型可以很好地预测疲劳损伤演化的宏观力学行为，并可通过疲劳损伤演化过程中的宏观力学行为实验数据获得可靠的描述材料中长、短裂纹在疲劳荷载作用下的扩展行为的相关参数。
（2）金属材料及结构在复杂服役环境下发生高、低周疲劳交互作用下的疲劳损伤演化时，材料内部的疲劳短裂纹与长裂纹同时存在且共同演化，当短裂纹扩展至晶界处时，会有一定的概率突破晶界的阻碍继续扩展为长裂纹，然后会按照疲劳长裂纹扩展规律继续增长。
（3）所发展的高、低周疲劳交互作用下的多尺度疲劳损伤模型及疲劳长、短裂纹共同演化行为的模拟方法，建立了在疲劳损伤演化过程中疲劳损伤的宏观力学现象与材料内部疲劳长、短裂纹群体演化行为之间的联系，为从多尺度角度认识钢结构高、低周疲劳交互作用的损伤演化机理提供了一个新的理论模型与研究手段。
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2023-08-26
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