一种氢致疲劳裂纹扩展的近场动力学预测方法

本发明涉及计算固体力学、断裂力学、材料氢脆损伤及疲劳寿命预测领域，具体涉及一种氢致疲劳裂纹扩展的近场动力学预测方法。

背景技术：

1、氢能装备及相关动力系统中的金属构件在服役过程中通常承受循环载荷，并可能处于高温、含氢介质等复杂环境中。氢进入金属材料后，会在浓度梯度、裂纹尖端静水应力梯度及局部塑性变形的共同作用下发生迁移、陷获和富集，降低裂纹尖端区域的疲劳抗力，加速疲劳裂纹扩展，缩短构件的安全服役寿命。对于镍基高温合金及其他氢敏感金属材料，氢致疲劳裂纹扩展还具有明显的应力强度因子范围和温度依赖性；在高温条件下，晶格氢可向材料自由表面迁移并发生脱附，使裂纹尖端氢富集与氢逸出相互竞争，增加了裂纹扩展预测的复杂性。

2、由于氢致疲劳试验周期长、成本高，且难以对裂纹尖端氢迁移和富集过程进行定量表征，因此通常需要借助数值模拟方法进行研究。目前，常用方法主要包括有限元法、扩展有限元法、内聚区模型和相场法等连续介质力学方法。上述方法能够耦合求解材料变形场、氢浓度场和损伤场，但在处理裂纹萌生及连续扩展引起的位移场不连续问题时，通常需要预设裂纹路径、插入内聚界面、引入富集函数或进行网格重构，增加了模型构建和数值求解的复杂性，并限制了裂纹扩展路径的自动预测。

3、针对上述局限，近场动力学采用非局部积分方程描述一定邻域内材料点之间的相互作用，不要求位移场在裂纹处保持连续，可通过材料点间相互作用的退化与断裂自然表征裂纹萌生、扩展和分叉，无需预设裂纹路径或反复进行网格重构，适用于复杂断裂过程的模拟。现有近场动力学研究已涉及氢致断裂及含氢材料裂纹扩展，但氢传输通常被简化为浓度梯度驱动的晶格扩散，未充分考虑应力辅助扩散、塑性变形诱导氢陷获和运动位错携氢迁移；对高温氢脱附过程考虑不足；循环变形、氢再分布、疲劳性能退化及裂纹扩展之间也尚缺少统一的耦合预测方法。

4、因此，有必要提出一种氢致疲劳裂纹扩展的近场动力学预测方法，统一描述循环变形、多机制氢传输、高温氢脱附、氢致疲劳性能退化及裂纹扩展过程，实现不同载荷和温度条件下含氢金属结构疲劳裂纹扩展行为的预测，为相关构件的寿命评估和安全设计提供技术支撑。

技术实现思路

1、针对现有近场动力学方法在氢致疲劳裂纹扩展预测中存在的氢传输机制简化、高温氢脱附考虑不足，以及循环变形、氢再分布、疲劳性能退化与裂纹扩展过程缺少统一耦合等问题，本发明的目的在于提供一种氢致疲劳裂纹扩展的近场动力学预测方法。该方法在常规态近场动力学框架下，统一描述材料循环变形、移动位错携氢迁移、高温氢脱附以及氢致疲劳性能退化过程，实现不同循环载荷和温度条件下含氢金属材料疲劳裂纹扩展行为的预测。

2、为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种氢致疲劳裂纹扩展的近场动力学预测方法，所述方法包括以下步骤：

4、步骤1，对待预测构件的计算区域进行均匀无网格离散，建立物质点及其近场邻域，构建常规态近场动力学模型，并设置材料参数、初始裂纹、边界条件、循环载荷和初始氢浓度；

5、步骤2，基于循环塑性或循环粘塑性本构关系求解材料的循环变形响应，获得物质点的应力应变以及累积塑性应变，并根据局部总氢浓度修正材料屈服强度；

6、步骤3，建立包含浓度梯度扩散、应力辅助扩散、塑性变形诱导氢陷获、运动位错携氢迁移和高温氢脱附的氢传输模型，采用近场动力学微分算子将氢传输方程转换为非局部积分形式，并求解晶格氢、陷阱氢以及脱附氢浓度；

7、步骤4，基于近场键的累积弹性应变能密度和累积塑性应变能密度建立疲劳断键准则，根据局部总氢浓度降低临界能量密度，并通过近场键的不可逆断裂表征裂纹萌生与扩展；

8、步骤5，采用交错耦合方式依次更新循环变形场、氢浓度场、氢致性能退化状态和近场键状态，直至达到预设循环次数或裂纹长度，输出疲劳裂纹扩展曲线、裂纹扩展速率等预测结果。

9、步骤1中，构建常规态近场动力学模型的过程包括以下子步骤：

10、将待预测构件的计算区域离散为一系列具有体积和质量属性的近场动力学物质点；针对每个物质点，根据预设的近场尺度参数建立其对应的近场邻域范围；

11、定义物质点与其邻域内相邻物质点之间的参考键矢量和相对位移矢量，求解得到近场键的伸长标量态，并进一步将该伸长标量态分解为球量部分与偏量部分，以分别表征体积变形效应与剪切变形效应；

12、基于材料弹性参数构建常规态近场动力学标量力状态，并由标量力状态得到物质点间相互作用的力矢量状态；

13、建立常规态近场动力学运动控制方程，根据待预测构件的几何形状设置边界条件和循环载荷；对于含初始裂纹的构件，将与初始裂纹面相交的近场键设置为初始失效状态。

14、步骤2进一步包括：

15、将近场键的伸长标量态的偏量部分分解为弹性分量与塑性分量；

16、构建包含随动硬化、各向同性硬化效应的屈服函数，并在屈服函数中引入由局部总氢浓度调控的屈服强度表达式：

17、

18、其中，为屈服函数，为等效von mises应力，为标量形式的背应力，为累积塑性应变，为表征屈服面变化的各向同性硬化函数；为含氢状态下的屈服强度，表示为：

19、

20、其中，为无氢状态下的参考屈服强度，为氢致硬化系数，为局部总氢浓度，为参考氢浓度；累积塑性应变表示为：

21、

22、式中，为近场影响函数，为维度相关系数；针对循环粘塑性工况，累积塑性应变率满足如下演化形式：

23、

24、其中，为粘度参数，为应变率敏感参数，为macaulay括号；为粘塑性流动函数；

25、根据实时更新的局部总氢浓度动态修正屈服强度，采用弹性试算和返回映射算法判断物质点的弹性或粘塑性状态，弹性状态下塑性相关变量保持不变，粘塑性状态下更新应力、塑性应变、累积塑性应变、塑性应变率及硬化变量。

26、步骤3进一步包括：

27、s3.1、根据累积塑性应变更新位错密度，并计算位错陷阱密度：

28、

29、其中，为位错陷阱系数，为晶格常数，为阿伏伽德罗常数；

30、根据更新后的位错陷阱密度与晶格氢浓度计算得到陷阱氢浓度，表示为：

31、

32、其中，为晶格位点密度，为单个陷阱可容纳的氢原子数，为氢陷阱平衡常数；

33、结合晶格氢和陷阱氢，计算得到局部总氢浓度，表示为：；

34、s3.2、分别构建晶格氢通量和运动位错携氢通量这两类氢输运通量，其中，晶格氢通量由浓度梯度和静水应力梯度共同驱动：

35、

36、其中，为晶格氢扩散系数，为氢偏摩尔体积，为气体常数，为绝对温度，为静水应力；运动位错携氢通量表示为：

37、

38、其中，为burgers矢量模量，为运动位错携氢迁移方向单位矢量；

39、s3.3、整合晶格氢通量和运动位错携氢通量，建立包含扩散、陷获、位错携氢迁移和高温脱附的氢传输方程：

40、

41、其中，为氢陷获容量系数，表示塑性变形引起的陷阱密度演化及晶格氢与陷阱氢之间的交换，其中为高温氢脱附项；

42、高温氢脱附项表示为：

43、

44、其中，为等效氢脱附系数；

45、累积脱附氢浓度满足：

46、

47、其中，为累积脱附氢浓度；

48、s3.4、采用近场动力学微分算子将氢传输方程中的梯度、二阶导数和散度转换为物质点邻域内的非局部积分形式；

49、s3.5、利用非局部微分算子求解氢传输方程，更新各物质点的晶格氢浓度，并依次更新陷阱氢浓度、总氢浓度及累积脱附氢浓度，求解得到的局部总氢浓度用于实时修正材料屈服强度。

50、步骤4进一步包括：

51、s4.1、根据循环加载过程中近场键的弹性变形和塑性变形，计算物质点的累积弹性应变能密度和累积塑性应变能密度；

52、s4.2、根据物质点处的总氢浓度定义氢致退化系数：

53、

54、其中，为氢致退化敏感参数；

55、将氢浓度相关临界能量密度表示为：

56、

57、其中，为无氢状态下的参考临界能量密度；

58、s4.3、采用历史最小值算子对氢浓度相关疲劳临界能量密度进行更新，以保持氢致疲劳性能退化的不可逆性：

59、；

60、式中，表示第个物质点，和分别表示第个计算步和第个计算步；和为第步和第步物质点的临界能量密度；为第步物质点的局部总氢浓度；

61、s4.4、建立近场键疲劳断裂准则：

62、

63、其中，表示近场键完整，表示近场键失效；失效近场键在后续计算过程中保持失效状态；为氢浓度相关疲劳临界能量密度；为近场键两端物质点的相对位置矢量，为当前计算时刻；

64、s4.5、将近场键状态引入近场影响函数，使失效近场键不再参与后续内力计算，并根据近场键状态更新氢传输邻域；最后通过物质点邻域内失效近场键所占比例定义局部损伤变量。

65、步骤5进一步包括：

66、s5.1、施加当前循环载荷增量，求解近场动力学运动控制方程，更新物质点应力应变、累积塑性应变及塑性应变率；

67、s5.2、根据更新后的累积塑性应变和塑性应变率，更新位错密度、陷阱密度及运动位错携氢通量，并求解非局部氢传输方程；

68、s5.3、更新晶格氢浓度、陷阱氢浓度、总氢浓度和累积脱附氢浓度，根据总氢浓度修正材料屈服强度和临界能量密度；

69、s5.4、计算累积弹性应变能密度和累积塑性应变能密度，判断近场键是否断裂，并更新局部损伤变量和裂纹位置；

70、s5.5、判断当前循环次数、裂纹长度或损伤状态是否达到终止条件；若未达到，则返回s5.1进行下一循环载荷增量计算；若达到，则输出裂纹长度—循环次数曲线、裂纹扩展速率—应力强度因子范围曲线、氢浓度分布、脱附氢分布、临界能量密度分布、局部损伤分布及疲劳寿命。

71、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

72、第一，本发明的氢致疲劳裂纹扩展的近场动力学预测方法，在统一的常规态近场动力学框架下，耦合循环变形、多机制氢传输、氢致疲劳性能退化及裂纹扩展过程，并采用统一的物质点离散体系进行求解，减少了不同数值方法之间的网格映射和场变量传递。

73、第二，本发明的氢致疲劳裂纹扩展的近场动力学预测方法，综合考虑应力辅助扩散、塑性变形诱导氢陷获、移动位错携氢迁移及高温氢脱附，并利用总氢浓度修正材料屈服强度和临界疲劳能量密度，能够描述氢再分布、局部疲劳抗力退化与裂纹推进之间的耦合作用。

74、第三，本发明的氢致疲劳裂纹扩展的近场动力学预测方法，通过近场键的不可逆断裂自然模拟裂纹萌生与扩展，无需预设裂纹路径或反复进行网格重构，可预测不同循环载荷和温度条件下的裂纹扩展速率及疲劳寿命，并获得裂纹尖端氢浓度、氢脱附量、临界能量密度和局部损伤等物理量，为含氢构件的设计与寿命评估提供依据。