[发明专利]一种基于量子隧穿的材料多轴疲劳寿命预测方法

说明书

本申请提供一种基于量子隧穿的材料多轴疲劳寿命预测方法，涉及材料疲劳寿命预测领域。该方法包括测定材料的初始参数；确定三维复杂动态荷载作用下材料内储存的最大总势能值；判断材料是否作用一次就疲劳破坏；若是，结束计算，确定材料疲劳寿命为1次；若否，建立材料能量阈值的衰变演化方程，并计算三维复杂动态荷载作用后的材料能量阈值；判断本次荷载在材料内储存的最大总势能是否大于本次荷载作用前的材料能量阈值Gsubgt;n/subgt;′，若是，则发生疲劳破坏，确定材料疲劳寿命；若否，计算材料的动态参数衰变值，并将该值作为下一次的初始动态参数，重复上述相关步骤，就可以描述材料疲劳损伤过程的全景图。本申请是用于提高材料疲劳寿命的预测精度的。

技术领域

本申请涉及材料疲劳寿命预测领域，具体涉及一种基于量子隧穿的材料多轴疲劳寿命预测方法。

背景技术

材料的疲劳破坏会造成飞机坠毁、火车脱轨等严重的安全事故。准确地预测疲劳寿命，不仅能够消除安全隐患，提高材料的设计质量和延长其使用寿命，而且有助于制订使用期间的合理检修计划。

现有的疲劳寿命预测一般分为单轴和多轴，单轴疲劳包括描述应力或应变与寿命之间关系的S-N曲线；描述疲劳损伤引起材料性能劣化的损伤累积理论，其中被广泛应用的有Miner线性损伤累积准则、Manson双线性损伤累积理论以及非线性损伤累积理论中典型的Carten-Dolan理论。总体上讲，上述研究成果都是建立在大量试验数据基础上的唯象理论。但材料的疲劳损伤与荷载和材料参数之间存在复杂的非线性数学关系，这种关系通过数理统计的方法是无法建立的，因此，上述预测方法均存在误差较大的缺点。

目前被广泛认可的多轴疲劳预测方法是临界面寿命预测模型，包括Fatemi-Socie(FS)、Wang Brown(WB)和SWT(Smith-Watson-Topper)模型等。这些多轴寿命预测模型的不足之处有三：一是它们只适用于描述材料的稳态损伤过程，对非稳态荷载谱的预测精度很低；二是它们虽然应用力学理论寻找临界平面并确定其上的应力或应变，但是随后建立的预测模型却没有明确的物理意义，仍是拟合疲劳实验数据的经验公式；三是它们解决的是静荷载而非动荷载的预测问题，对实际工况对应的三维复杂动荷载(三维动态法向荷载和三对动态剪切荷载的任意组合)的疲劳预测更是无能为力。

发明内容

为了解决背景技术中的技术问题，本申请实施例提供了基于量子隧穿的多轴疲劳寿命预测方法，该方法能够精细地描述材料服役期间动态参数的衰变演化全景图，从而更科学地预测疲劳寿命。

为达到上述目的，本申请的实施例提供了一种基于量子隧穿的材料多轴疲劳寿命预测方法，包括以下步骤:步骤S1、测定材料的初始参数；步骤S2、根据材料的初始参数和已知的三维动态法向荷载参数，确定所述三维动态法向荷载在材料内储存的最大势能E1；步骤S3、根据材料的初始参数和已知的三维动态剪切荷载参数，确定三对动态剪切荷载在材料内储存的最大势能E2；步骤S4、将三维动态法向荷载在材料内储存的最大势能和三对动态剪切荷载在材料内储存的最大势能进行叠加，得到三维复杂动态荷载在材料内存储的最大总势能值H；步骤S5、根据三维复杂动态荷载作用下材料的疲劳破坏准则判断材料是否作用一次就疲劳破坏；若是则进入步骤S6；若否，则进入步骤S7；步骤S6、结束计算，确定材料疲劳寿命为1次；步骤S7、建立材料能量阈值的衰变演化方程，并根据演化方程计算三维复杂动态荷载作用后的材料能量阈值Gn′；步骤S8、判断本次荷载将在材料内存储的最大总势能值H是否大于本次荷载作用前的材料能量阈值G_n′，若是，则发生疲劳破坏，确定材料疲劳寿命；若否，则进入步骤9；步骤S9、计算动态荷载作用后的材料动态参数衰变值，并将该动态参数衰变值作为下一次动态荷载作用前的材料的初始参数；步骤S10、重复步骤S2至步骤S9，直至得到疲劳损伤过程的全景图。

进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：步骤S21、根据材料的初始参数和已知的三维动态法向荷载参数建立材料的三维动态本构关系，其中x方向的本构关系为公式(1)：