基于晶体塑性有限元热腐蚀疲劳的建模及寿命预测方法

本发明涉及机械结构强度微观建模及分析方法领域，具体为基于晶体塑性有限元热腐蚀疲劳的建模及寿命预测方法。

背景技术：

1、航空发动机涡轮部件在服役过程中通常会承受较大的机械载荷和温度载荷的影响，这种复杂的载荷环境会导致航空发动机转子部件的疲劳失效现象，进而对于远洋服役的飞行器而言，其在需承受复杂载荷的前提下，又需要面临海洋大气影响的环境腐蚀因素，结合涡轮转子的高温环境，极易产生热腐蚀破坏，同时相关研究表明，涂盐热腐蚀会使材料表面形成腐蚀坑，以及形成氧化、硫化层，这些特征是从微观结构建模分析的有效切入点。因此从微观角度，利用晶体塑性有限元考虑热腐蚀疲劳影响的方法具有一定应用前景。

2、对于现有的晶体塑性有限元仿真方法，其本构模型分为以率相关的幂律函数为核心和以位错密度为内变量的两种模型，各学者以这两种模型为基础，考虑材料、温度等因素的研究颇多，对于晶体塑性rve本身的建模研究并不多，同时，细微观结构的海量数据仅通过人工处理与统计难以实现高效运转，故采用计算机有限元技术与python脚本相结合以实现计算过程的程序化、轻便化。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于晶体塑性有限元热腐蚀疲劳的建模及寿命预测方法，通过相关计算机软件和编程语言驱动，使建模与计算高效化。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、步骤1、准备表面抛光的金属多晶试样，使用电子背散射衍射（ebsd）表征技术，对抛光试样进行扫描，拷贝扫描结果。

4、步骤2、将扫描结果中的cpr或ctf文件格式文件导入azteccrystal软件，该软件多用于晶体结构分析，可经由该软件导出尺寸大小的统计。

5、步骤3、将ctf文件格式文件导入dream.3d软件，利用软件其自带的filter，将ctf文件简单处理，导出带有取向分布信息的txt文件。

6、步骤4、将尺寸大小和取向分布信息导入的dream.3d软件，利用软件自带的filter，可有这两个信息，生成尺寸自定、网格自定的立方体代表单元，导出文件有：.inp、_nodes.inp（节点）、_elems.inp（单元）、_elset.inp（集合）、_sects.inp（截面），以及取向信息文本文件，将文件内容结合即可在abaqus有限元软件中以inp文件打开。

7、步骤5、在abaqus有限元软件中，对导入的模型进行批量材料赋予，设置分析步，设置边界条件，导入晶体塑性umat，提交计算，以材料总应变能耗散密度为疲劳指数，通过低周疲劳的实验结果，实现热腐蚀影响的疲劳寿命预测。

8、进一步的，步骤4中，导出文件需进一步重构，具体步骤如下：对_nodes.inp（节点）文件，其内容包含节点坐标，通过python脚本，其功能是对立方体上表面及近上表面节点坐标进行修改，使上表面中心区域节点坐标线性减小，实现凹坑貌建模。

9、进一步的，步骤4中，导出文件需进一步重构，具体步骤如下：对_elset.inp（集合）、_sects.inp（截面）文件，其内容包含单元集合，通过python脚本，其功能是使近模型上表面的单元从原本集合中删除，并按序形成全新的集合，将取向信息文本文件对应的集合编号内容按序复制于文末，此操作可实现模型表面单元取向信息不变的情况下，按所需厚度分离多层，在后续步骤材料赋予中修改其杨氏模量，以实现氧化层、硫化层的建模。

10、进一步的，步骤5中，利用寿命预测方法进行寿命预测，其具体寿命预测模型具体为：

11、。

12、式中，在材料疲劳断裂时的总的应变能耗散密度；为有限元模拟疲劳时模拟的疲劳循环次数；为有限元模拟疲劳结束时的应变能耗散密度；为低周疲劳的材料寿命；为有限元模拟疲劳最终循环的应变能耗散密度增量。

13、先采用低周疲劳的实验寿命，以及不进行上述重构的仿真结果，可计算得出参考值，再将该参考值再反带入公式中，此刻采用重构后的模型，考虑了腐蚀坑和氧化、硫化层的影响，即可求出，这就是预测寿命。

14、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

15、本方法将宏观角度难以解决的疲劳难题，提供了一种从微观角度解决的方法，由于腐蚀坑和腐蚀层的形成全是微米级的现象，从宏观角度难以观察与考量。大多一般热腐蚀疲劳的模型方法基本不考虑物理机制，本方法能实际建模与重构，具有一定意义。

1.基于晶体塑性有限元热腐蚀疲劳的建模及寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的基于晶体塑性有限元热腐蚀疲劳的建模及寿命预测方法，其特征在于，步骤s400中通过对_nodes.inp节点坐标信息进行重构，完成腐蚀坑形貌的建模，具体包括：

3.如权利要求1所述的基于晶体塑性有限元热腐蚀疲劳的建模及寿命预测方法，其特征在于，步骤s400中通过对_elems.inp、_elset.inp、_sects.inp文件的单元、集合和截面赋予进行重构，完成氧化层、硫化层的建模，具体包括：

4.如权利要求1所述的基于晶体塑性有限元热腐蚀疲劳的建模及寿命预测方法，其特征在于，步骤s500中将重构后的模型导入abaqus有限元分析软件后，首先运行材料赋予脚本，将初始本构参数和文本文件中的取向信息分别赋予各集合，其次对表面两层单元的杨氏模量数值进行修改来分别模拟氧化层和硫化层的力学性能，其次设定时间步长，施加疲劳边界条件，选定晶体塑性umat本构模型提交计算，最后于可视化模块中得到考虑热腐蚀影响的应力云图。

5.如权利要求1所述的基于晶体塑性有限元热腐蚀疲劳的建模及寿命预测方法，其特征在于，步骤s600中的寿命预测方法具体公式为：