技术特征：
1.一种基于多尺度损伤的表面强化构件寿命预测方法，其特征在于，包括：基于含孔结构强化有限元模型模拟含孔结构冷挤压强化过程，获得孔壁沿径向方向和沿轴向方向的残余应力分布场；构建含孔结构疲劳有限元模型；基于含孔结构疲劳有限元模型和chaboche本构模型，以所述残余应力分布场为预应力场，对含孔结构进行预设疲劳载荷下的有限元模拟，获得循环位移场；采用双尺度建模方法在含孔结构孔边建立包含均匀微观结构和梯度微观结构的晶体塑性有限元模型；构建考虑晶粒尺寸效应的晶体塑性本构模型；基于晶体塑性有限元模型和晶体塑性本构模型，以所述循环位移场为边界条件，在预设疲劳载荷下进行晶体塑性有限元模拟，获得预设疲劳载荷下的最大累积能量耗散，作为预设疲劳载荷下的疲劳指示因子；将疲劳指示因子临界值与所述疲劳指示因子的比值确定为表面强化构件在预设疲劳载荷下的疲劳寿命。2.根据权利要求1所述的基于多尺度损伤的表面强化构件寿命预测方法，其特征在于，所述含孔结构强化有限元模型的建模步骤为：确定含孔结构冷挤压强化过程的模型几何结构包括挤压工具和含孔结构；选定含孔结构采用四分之一有限元模型；挤压工具材料选用钨钢，含孔结构材料选用优质镍基合金，并赋予材料属性；对含孔结构施加轴对称边界条件，将挤压工具约束为刚体并沿着轴向施加下压和回退载荷，含孔结构和挤压工具的接触采用法向硬接触，接触约束采用切向罚函数以及0.05的摩擦系数。3.根据权利要求1所述的基于多尺度损伤的表面强化构件寿命预测方法，其特征在于，所述chaboche本构模型的主控方程表示为：ε
t
＝ε
e
+ε
p
；式中，ε
t
表示总应变分量；ε
e
表示弹性应变分量，e和v分别表示弹性模量和泊松比，σ和trσ分别表示应力张量和应力张量的迹，i表示二阶单位张量；ε
p
为塑性应变分量，为塑性应变分量，表示塑性应变率，s和α分别表示应力张量的偏量和背应力张量的偏量，应变率，s和α分别表示应力张量的偏量和背应力张量的偏量，表示背应力张量的偏量变化率，α
i
表示第i个背应力部分，ζ
i
和r
i
分别表示第i个背应力部分的第一和第二材料参数，表示累积非弹性应变率，表示累积非弹性应变率，表示非弹性应变率张量，k和n分别表示材料粘性特征的第一和第二材料参数，符号(:)表示二阶张量的内积，<>表示macauley括号，f表示von-mises屈服方程，q0表示初始屈服应力，r表示反映屈服面尺寸大小的各项同性变形强化变量，初始屈服应力，r表示反映屈服面尺寸大小的各项同性变形强化变量，表示各项同性变形强化变化率，q
sa
表示快速软化第一阶段各项同性变形抗力的渐近值，b表示
逼近渐近值的速度参数。4.根据权利要求1所述的基于多尺度损伤的表面强化构件寿命预测方法，其特征在于，所述考虑晶粒尺寸效应的晶体塑性本构模型包括：变形速率梯度的主控方程为：式中，l
p
表示非弹性变形速率梯度，f
p
表示非弹性变形梯度，表示第α滑移系的塑性滑移速率，s
α
表示第α滑移系滑移方向的单位矢量，m
α
表示第α滑移系法向方向的单位矢量，n表示滑移系的个数；流动准则方程为：式中，表示参考塑性滑移速率，k表示玻尔兹曼常数，t表示绝对温度，f0表示热激活自由能，τ
α
表示第α滑移系的分解剪切应力，b
α
表示第α滑移系的背应力，s
α
表示第α滑移系的滑移阻力，τ0、p和q分别表示第一、第二和第三材料常数；背应力方程为：式中，表示第α滑移系的背应力变化率，h
b
表示背应力硬化常数，r
d
表示滑移阻力相关动态回复系数；滑移阻力演化方程为：式中，表示第α滑移系的滑移阻力变化率，h
αβ
表示第α滑移系和第β滑移系之间的硬化矩阵，s
sat
表示饱和滑移阻力，s0表示初始滑移阻力，s
β
表示第β滑移系的滑移阻力，表示第β滑移系的塑性滑移速率；考虑晶粒尺寸效应，引入霍尔-佩奇关系的初始滑移阻力为：佩奇关系的初始滑移阻力为：式中，表示与晶粒尺寸无关的初始滑移阻力，d表示晶粒尺寸，k
s
表示初始滑移阻力的材料参数。5.根据权利要求4所述的基于多尺度损伤的表面强化构件寿命预测方法，其特征在于，累积能量耗散的计算公式为式中，w表示累积能量耗散，t表示时间。6.根据权利要求1所述的基于多尺度损伤的表面强化构件寿命预测方法，其特征在于，所述疲劳指示因子临界值的计算公式为w
f，crit
＝n
i
·
w
f，cyc
式中，w
f，crit
表示疲劳指示因子临界值，n
i
表示试验获得的疲劳循环寿命，w
f，cyc
表示模拟获得的特定周次下的疲劳指示因子。7.一种基于多尺度损伤的表面强化构件寿命预测系统，其特征在于，包括：强化模拟模块，用于基于含孔结构强化有限元模型模拟含孔结构冷挤压强化过程，获得孔壁沿径向方向和沿轴向方向的残余应力分布场；疲劳有限元模型构建模块，用于构建含孔结构疲劳有限元模型；宏观尺度模拟模块，用于基于含孔结构疲劳有限元模型和chaboche本构模型，以所述残余应力分布场为预应力场，对含孔结构进行预设疲劳载荷下的有限元模拟，获得循环位移场；
晶体塑性有限元模型建立模块，用于采用双尺度建模方法在含孔结构孔边建立包含均匀微观结构和梯度微观结构的晶体塑性有限元模型；晶体塑性本构模型构建模块，用于构建考虑晶粒尺寸效应的晶体塑性本构模型；微观尺度模拟模块，用于基于晶体塑性有限元模型和晶体塑性本构模型，以所述循环位移场为边界条件，在预设疲劳载荷下进行晶体塑性有限元模拟，获得预设疲劳载荷下的最大累积能量耗散，作为预设疲劳载荷下的疲劳指示因子；疲劳寿命预测模块，用于将疲劳指示因子临界值与所述疲劳指示因子的比值确定为表面强化构件在预设疲劳载荷下的疲劳寿命。8.根据权利要求7所述的基于多尺度损伤的表面强化构件寿命预测系统，其特征在于，所述含孔结构强化有限元模型的建模步骤为：确定含孔结构冷挤压强化过程的模型几何结构包括挤压工具和含孔结构；选定含孔结构采用四分之一有限元模型；挤压工具材料选用钨钢，含孔结构材料选用优质镍基合金，并赋予材料属性；对含孔结构施加轴对称边界条件，将挤压工具约束为刚体并沿着轴向施加下压和回退载荷，含孔结构和挤压工具的接触采用法向硬接触，接触约束采用切向罚函数以及0.05的摩擦系数。9.根据权利要求7所述的基于多尺度损伤的表面强化构件寿命预测系统，其特征在于，所述chaboche本构模型的主控方程表示为：ε
t
＝ε
e
+ε
p
；式中，ε
t
表示总应变分量；ε
e
表示弹性应变分量，e和v分别表示弹性模量和泊松比，σ和trσ分别表示应力张量和应力张量的迹，i表示二阶单位张量；ε
p
为塑性应变分量，为塑性应变分量，表示塑性应变率，s和α分别表示应力张量的偏量和背应力张量的偏量，应变率，s和α分别表示应力张量的偏量和背应力张量的偏量，表示背应力张量的偏量变化率，α
i
表示第i个背应力部分，ζ
i
和r
i
分别表示第i个背应力部分的第一和第二材料参数，表示累积非弹性应变率，表示累积非弹性应变率，表示非弹性应变率张量，k和n分别表示材料粘性特征的第一和第二材料参数，符号(:)表示二阶张量的内积，< >表示macauley括号，f表示von-mises屈服方程，q0表示初始屈服应力，r表示反映屈服面尺寸大小的各项同性变形强化变量，示初始屈服应力，r表示反映屈服面尺寸大小的各项同性变形强化变量，表示各项同性变形强化变化率，q
sa
表示快速软化第一阶段各项同性变形抗力的渐近值，b表示逼近渐近值的速度参数。10.根据权利要求7所述的基于多尺度损伤的表面强化构件寿命预测系统，其特征在于，所述考虑晶粒尺寸效应的晶体塑性本构模型包括：变形速率梯度的主控方程为：式中，l
p
表示非弹性变形速率梯度，f
p
表示非弹性变形梯度，表示第α滑移系的塑性滑移速率，s
α
表示第α滑移
系滑移方向的单位矢量，m
α
表示第α滑移系法向方向的单位矢量，n表示滑移系的个数；流动准则方程为：式中，表示参考塑性滑移速率，k表示玻尔兹曼常数，t表示绝对温度，f0表示热激活自由能，τ
α
表示第α滑移系的分解剪切应力，b
α
表示第α滑移系的背应力，s
α
表示第α滑移系的滑移阻力，τ0、p和q分别表示第一、第二和第三材料常数；背应力方程为：式中，表示第α滑移系的背应力变化率，h
b
表示背应力硬化常数，r
d
表示滑移阻力相关动态回复系数；滑移阻力演化方程为：式中，表示第α滑移系的滑移阻力变化率，h
αβ
表示第α滑移系和第β滑移系之间的硬化矩阵，s
sat
表示饱和滑移阻力，s0表示初始滑移阻力，s
β
表示第β滑移系的滑移阻力，表示第β滑移系的塑性滑移速率；考虑晶粒尺寸效应，引入霍尔-佩奇关系的初始滑移阻力为：佩奇关系的初始滑移阻力为：式中，表示与晶粒尺寸无关的初始滑移阻力，d表示晶粒尺寸，k
s
表示初始滑移阻力的材料参数。
技术总结
本发明涉及一种基于多尺度损伤的表面强化构件寿命预测方法及系统，属于表面强化构件技术领域，首先模拟含孔结构冷挤压强化过程获得残余应力分布场，然后在宏观尺度上探究残余应力对材料疲劳行为的影响规律；再次通过将晶粒尺寸效应考虑到初始滑移阻力中对晶体塑性模型进行修正，在微观尺度上考虑塑性变形层的影响，并通过双尺度建模方法将宏-微观尺度的有限元模型进行耦合；最后根据疲劳指示因子预测表面强化构件的疲劳寿命。本发明同时考虑残余应力和塑性变形层，在宏观尺度上将残余应力场引入到表面强化构件的有限元模型中，在微观尺度上将晶粒的尺寸效应考虑到晶体塑性模型中，实现了表面强化构件在疲劳载荷下的精确寿命预测。命预测。命预测。
技术研发人员：张显程 李凯尚 程吕一 曾飞 李维 王润梓 雷学林 涂善东 石俊秒
受保护的技术使用者：中国航发湖南动力机械研究所
技术研发日：2022.07.26
技术公布日：2022/12/5