裂纹扩展寿命的计算通常需要两步来进行:
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- 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。
疲劳裂纹扩展速率模型
时间相关的裂纹扩展速率模型
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:
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- 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Delta K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