[发明专利]一种考虑表面粗糙度的微动疲劳寿命预测模型及方法

说明书

本发明公开了一种考虑表面粗糙度的微动疲劳寿命预测模型及方法，该方法基于连续介质损伤力学，针对不同激光能量冲击后的材料表面，其表面粗糙度会有所差异。除了在有限元模型中引入残余压应力之外，考虑其表面粗糙度的变化可以对其微动疲劳寿命做出更为准确的预测。该方法的步骤包括：(1)建立有限元模型并将激光冲击强化引入的残余压应力作为初应力加入模型；(2)进行仿真计算并提取模型中的相关参量；(3)拟合寿命预测模型中的参数，建全微动疲劳寿命预测公式；(4)建立新的有限元分析，利用寿命预测公式计算得到微动疲劳寿命。该模型及方法可以对不同表面粗糙度的微动疲劳寿命进行有效的预测，具有重要的工程应用价值。

技术领域

本发明属于微动疲劳寿命预测仿真领域，具体涉及一种考虑材料表面粗糙度的微动疲劳寿命预测模型建立及应用方法。

背景技术

微动是发生于两接触表面之间的振幅极小(微米量级)的往复运动，这种运动通常由外部振动或形变引起，当相互接触的物体之一承受交变应力时，微动现象会造成疲劳裂纹的早期萌生和扩展，也即微动疲劳问题。区别于普通疲劳的破坏形式，微动接触区受许多复杂因素的影响，微动疲劳的裂纹萌生位置通常并不位于构件的最大应力点或应变点，这给细致的研究微动疲劳现象带来了一定的难度。

影响微动疲劳的因素多达五十多种，对微动疲劳寿命进行预测是一个国际难题。目前形成了几种主流的微动疲劳寿命预测方法中，基于连续介质损伤力学的预测方法是研究者们通常采用的手段。该方法通过引入一个损伤参量，当损伤产生时，表示基于有效面积的有效应力，其达到临界值时会诱发裂纹的产生。

激光冲击强化是一种新型的表面强化技术，通过高功率密度的激光照射材料表面，使得材料表面产生塑性变形，在内部形成残余应力场，出现高密度位错、孪晶等晶体结构，从而显著提升材料的疲劳寿命和耐腐蚀、抗磨损性能。已有的研究表明，不同激光能量处理后的材料表面粗糙度会出现差异，这直接影响了材料的许多力学性能，尤其在微动疲劳现象中，两个相互接触表面间的摩擦磨损性能与其微动疲劳寿命密切相关。在目前形成的微动疲劳寿命预测模型方法中，研究者考虑到了不同材料摩擦系数的差异，并在有限元建模过程中加以考虑，但是对于表面粗糙度带来的其他影响考虑不足。

发明内容

本发明提出了一种考虑激光冲击强化后材料表面粗糙度变化的微动疲劳寿命预测模型及方法，该方法可以考虑了表面粗糙度的影响对激光冲击强化后的材料微动疲劳寿命做出有效的预测。通过建立有限元分析提取相关参量，之后拟合确定微动疲劳寿命预测模型中的待定系数，建全整个微动疲劳寿命预测模型，即可对不同表面粗糙度的微动疲劳试件进行寿命预测。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种考虑材料表面粗糙度的微动疲劳寿命预测模型的建立方法，包括以下步骤：

(1)测量表面粗糙度并进行微动疲劳试验

根据具体的微动疲劳试验装置，分别测量基材和不同激光能量冲击强化后的试验件表面粗糙度。开展微动疲劳试验，获取试验件的微动疲劳寿命。

(2)建立有限元模型

使用有限元分析软件ANSYS，依据微动疲劳试验装置的原理对试验件建立有限元模型，在试验件和微动垫接触的部分建立接触对，并对接触区的网格进行加密。考虑到激光冲击强化的影响，将“残余压应力”作为预应力加入到有限元模型中。分别在峰值载荷和谷值载荷下进行求解，提取有限元模型中每个单元的应力应变值。

(3)进行仿真计算提取相关参量

在多轴疲劳状态下的损伤演化方程为：

式中，D为基于连续损伤力学方法提出的损伤参量，当D达到临界值1时，认为构件已经失效破坏，N为微动疲劳寿命，β为材料常数；α是与应力状态有关的函数，定义为：