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裂纹扩展寿命计算

 

裂纹扩展寿命的计算通常需要两步来进行:

  • 计算裂纹尺寸和应力强度因子之间的关系;
  • 整合裂纹扩展速率模型来计算裂纹尺寸和施加载荷循环次数(或时间)之间的关系。

FRANC3D 可以提取出应力强度因子历程数据,能显示沿每条裂纹前缘的SIF(应力强度因子)曲线和沿指定的裂纹扩展路径上的SIF,并能显示出疲劳条纹。

应力强度因子历程-Front K

应力强度因子历程-Path K

 

FRANC3D 提供了多种裂纹扩展速率模型来计算任意三维裂纹扩展寿命,所有模型均可定义与应力比R相关及与温度相关的裂纹扩展速率数据。

时间相关的裂纹扩展速率模型              疲劳裂纹扩展速率模型

FRANC3D 还集成了NASGRO金属材料疲劳数据库,包含了广泛的材料疲劳数据,用户只需选择所用的材料即可自动定义所有的材料疲劳数据。

NASGRO材料疲劳数据库

FRANC3D具备载荷计划编辑器(Load Schedule),可定义各种形式的载荷以及载荷之间的叠加,并能考虑温度相关的裂纹扩展、载荷持续时间及静态载荷等因素。

         载荷计划编辑器                     可考虑的载荷类型

 

用户还可以选择等效K的计算方法、迟滞模型、所用的积分算法、以及裂纹扩展寿命积分的终止条件。

等效K和有效Delta K选项

寿命和裂纹尺寸的关系曲线

疲劳裂纹扩展速率公式一般只需输入一个单自由度的K vs a数据,积分计算出载荷循环次数。对于复杂的三维裂纹扩展,很难确定裂纹扩展的距离a。而且,定义不同的路径,会得出不同的寿命结果。FRANC3D 采用了一种改进的方法,使得计算出的寿命与路径无关,获得唯一的疲劳寿命结果,其计算过程如下:

  • 对于裂纹前缘上的每个节点,找出其垂直投影到下一个裂纹前缘上的交点;
  • 通过插值计算出这些点的K;
  • 假设DeltaK在当前和下一个裂纹前缘的点之间为线性变化,并通过积分获得预测的载荷循环次数;
  • 对每个裂纹扩展步的每个裂纹前缘单元预测的N进行平均,得到一个“N vs. Step”曲线;
  • 如果需要,可将N vs. Step曲线转换为a vs. N曲线。

改进的裂纹扩展寿命计算方法

 

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