详情

原文传递一种基于内聚力-磁机械耦合模型的界面裂纹评估方法

专利名称：	一种基于内聚力-磁机械耦合模型的界面裂纹评估方法
摘要：	本发明公开了一种基于内聚力‑磁机械耦合模型的界面裂纹评估方法，是将涂层界面内聚力单元的牵引力与磁机械效应相结合，建立内聚力‑磁机械耦合模型；通过有限元仿真获得内聚力单元的初始张开位移；利用初始张开位移并根据内聚力‑磁机械耦合模型计算获得界面疲劳裂纹萌生时的磁场强度阈值、内聚力单元最大磁场增长速度，以及裂纹扩展速度之间的拟合关系；利用采集获得的界面处自发漏磁信号的最大磁场强度与磁场强度阈值进行比较，判定裂纹是否开始萌生，并根据拟合关系，获得不同疲劳循环周次作用下的界面裂纹扩展速度，以及涂层疲劳服役过程中界面裂纹扩展长度；本发明方法能够准确评估涂层界面疲劳裂纹的演化行为。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	安徽;34
申请人：	合肥工业大学
发明人：	黄海鸿;钱正春;王江龙;刘文杰
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-23T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-06T00:00:00+0800
申请号：	CN201910435804.7
公开号：	CN110095525A
代理机构：	安徽省合肥新安专利代理有限责任公司
代理人：	何梅生
分类号：	G01N27/82(2006.01);G;G01;G01N;G01N27
申请人地址：	230009 安徽省合肥市包河区屯溪路193号
主权项：	1.一种基于内聚力-磁机械耦合模型的界面裂纹评估方法，所述界面为涂层界面，是指在基材的表面形成有铁磁性涂层的涂层界面，所述界面裂纹评估是指针对涂层界面中涂层与基材间裂纹进行评估；其特征是：所述界面裂纹评估方法是将涂层界面内聚力单元的牵引力σ与磁机械效应相结合，建立内聚力-磁机械耦合模型；通过有限元仿真获得内聚力单元的初始张开位移ux；利用所述初始张开位移ux根据内聚力-磁机械耦合模型计算获得界面疲劳裂纹萌生时的磁场强度阈值Hmax、内聚力单元最大磁场增长速度dHmax-N/dN，以及裂纹扩展速度dL/dN之间的拟合关系；利用采集获得的界面处自发漏磁信号的最大磁场强度Hmax-ND与磁场强度阈值Hmax进行比较，判定裂纹是否开始萌生，并根据拟合关系，获得不同疲劳循环周次N作用下的界面裂纹扩展速度dLD/dN，以及涂层疲劳服役过程中界面裂纹扩展长度LD；实现基于内聚力-磁机械耦合模型的界面裂纹评估。 2.根据权利要求1所述的基于内聚力-磁机械耦合模型的界面裂纹评估方法，其特征是按如下步骤进行：步骤1、建立内聚力-磁机械耦合模型利用双线性牵引力-位移本构关系描述涂层界面内聚力单元在静载情况下的变化行为如式(1)：其中： σ为内聚力单元的牵引力，σ0为内聚力单元的临界牵引力；u为内聚力单元的张开位移； u0为内聚力单元的临界张开位移，uf为内聚力单元的失效张开位移；所述内聚力单元是指涂层界面内聚力单元；所述内聚力单元的疲劳损伤演化模型由式(2)所表征：其中： △Dc为内聚力单元的损伤变化率，Dc为内聚力单元的损伤程度； △u为内聚力单元的张开位移变化率； X、p和q均为用于控制内聚力单元损伤演化速度的设定参数；内聚力模型中每次外加载荷卸载时，牵引力和张开位移都按照原来的路径直线返回，且卸载过程中不产生损伤累积；当内聚力单元受到第一次循环载荷作用时，如果内聚力单元的初始张开位移ux小于内聚力单元的临界张开位移u0，则内聚力单元不会产生损伤；而当所述初始张开位移ux等于或超过所述临界张开位移u0时，内聚力单元开始产生疲劳损伤；并且随着循环周次N的增加，内聚力单元的损伤程度Dc不断累积，内聚力单元的刚度k不断降低，k＝ks(1-Dc)，从而得到疲劳牵引力-位移本构关系如式(3)： σ＝ks(1-Dc)u (3) 其中： ks为内聚力单元在静载情况下的起始刚度，ks＝σ0/u0，当内聚力单元的损伤程度Dc累积到0.99时，内聚力单元的刚度k和牵引力σ趋近于零，视为经历过N次疲劳循环周次后内聚力单元失效；在地磁场H0和牵引力σ的共同作用下，基于磁机械效应，涂层界面内聚力单元产生自发磁化，根据J-A模型中的郎之万函数，获得内聚力单元的非滞后磁化强度Man如式(4)：其中： Ms为内聚力单元的饱和磁化强度， η为影响内聚力单元中非滞后磁化曲线形状的设定参数； He表示内聚力单元的总有效场，并有： He＝H0+Hσ+αMan (5) 其中： α为无量纲参数，其表示内聚力单元的磁矩与磁化的耦合程度； Hσ是由牵引力σ诱导产生的附加磁场，由式(6)所表征：其中： μ0为真空磁导率，参数γ1，γ1′，γ2和γ2′均为与磁化相关的内聚力单元磁致伸缩应变系数，且 γ1′为γ1的一阶导数，γ2′为γ2的一阶导数；λ为受到参数γ1，γ1′，γ2和γ2′控制的磁致伸缩系数；因磁畴钉扎效应对磁化过程带来滞后影响，则有式(7)：其中： ξ是与内聚力单元能量密度相关的设定参数； c是内聚力单元中初始磁化率与初始无应力磁化率的比值，其反映了磁畴壁的弹性； M是内聚力单元的磁化强度，Ea是内聚力单元的弹性模量；当涂层界面内聚力单元产生自发磁化后，将其看作为磁偶极子，根据电磁学理论，则从界面泄露到空间中的内聚力单元磁感应强度矢量如式(8)：其中：是磁矢位，是磁偶极矩，是空间中任意一点的位置矢量； r是矢量所对应的标量，标量r表示该点与磁偶极子之间的距离；磁偶极子的体积V为：V＝4πd3/3，d是磁偶极子的直径；磁偶极矩为：是内聚力单元磁化强度矢量；则从界面泄露到空间中的内聚力单元磁场强度矢量如式(9)所表征：由式(2)、式(3)、式(7)和式(9)构成所述内聚力-磁机械耦合模型；步骤2、通过仿真获得涂层界面初始张开位移利用ABAQUS有限元仿真软件建立涂层/基材的实体模型，将所述实体模型中的界面内聚力单元的类型设定为COH2D4；按照实际边界条件给定约束，并施加第一次疲劳循环作用下的最大载荷，网格划分后，经过ABAQUS有限元仿真软件求解得到所有涂层界面内聚力单元的初始张开位移ux；步骤3、计算获得界面疲劳裂纹与自发漏磁信号之间的关系利用步骤2中仿真获得的所有涂层界面内聚力单元的初始张开位移ux，通过内聚力-磁机械耦合模型计算获得内聚力单元的疲劳牵引力-位移关系曲线、损伤累积变化规律以及加载-卸载磁化路径；当其中某个内聚力单元的损伤程度Dc首先累积到0.99时，视为此单元失效，裂纹开始萌生，磁场强度达到磁场强度阈值Hmax；计算获得裂纹扩展到不同长度L时对应的疲劳循环周次N和内聚力单元最大磁场强度Hmax-N；利用内聚力单元最大磁场增长速度dHmax-N/dN表征裂纹扩展速度dL/dN，并给出两者之间的拟合关系如式(10)：其中C0和m0为拟合常数；步骤4、利用自发漏磁信号评估涂层界面疲劳裂纹演化行为在涂层疲劳服役过程中，利用磁传感器探头从涂层/基材的侧面采集获得不同疲劳循环周次N作用下的界面处自发漏磁信号的最大磁场强度Hmax-ND；若采集获得的界面处自发漏磁信号的最大磁场强度Hmax-ND小于磁场强度阈值Hmax，判定为界面裂纹尚未萌生；若采集获得的界面处自发漏磁信号的最大磁场强度Hmax-ND等于磁场强度阈值Hmax，判定为界面裂纹开始萌生；若采集获得的界面处自发漏磁信号的最大磁场强度Hmax-ND大于磁场强度阈值Hmax，则，利用界面处自发漏磁信号的最大磁场强度Hmax-ND，根据式(11)计算获得不同疲劳循环周次N作用下的界面裂纹扩展速度dLD/dN，以及涂层疲劳服役过程中界面裂纹扩展长度LD： 3.根据权利要求1所述的基于内聚力-磁机械耦合模型的界面裂纹评估方法，其特征在于：所述内聚力-磁机械耦合模型的适用对象包括所有铁磁性涂层材料的界面，且涂层的厚度不小于3mm，以保证磁传感器探头能够从涂层/基材的侧面采集到界面处的自发漏磁信号。
所属类别：	发明专利