[發(fā)明專利]一種含裂紋金屬梯度材料剩余強度預(yù)測方法

有效

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• 申請日: 2014-04-11
• 公開（公告）號: CN103955604A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 許希武;趙震波;郭樹祥;陳康
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬梯度材料力學(xué)性能的模擬仿真，更具體地說是一種含裂紋金屬梯度材料剩余強度預(yù)測方法。

背景技術(shù)

金屬梯度材料是伴隨現(xiàn)代增材制造（3D打印）工藝的發(fā)展，參考功能梯度材料變更材料組份以實現(xiàn)特定功能的設(shè)計理念，加工得到的不同金屬組份含量沿特定方向變化的新型復(fù)合材料體系。此材料不僅保留了傳統(tǒng)金屬材料特性仍然適用于結(jié)構(gòu)承力部位，同時減少了部件之間機械連接造成的薄弱環(huán)節(jié)，并能如同功能梯度材料根據(jù)設(shè)計需要實現(xiàn)特定功能。

對于金屬材料，由于自身細觀缺陷及使用過程中循環(huán)載荷的作用，結(jié)構(gòu)內(nèi)部往往存在裂紋，含裂紋結(jié)構(gòu)的靜承載能力即為該結(jié)構(gòu)的剩余強度，為防止災(zāi)難性破壞，剩余強度的預(yù)測對結(jié)構(gòu)斷裂安全性評估十分重要。長期以來國內(nèi)外對于均勻金屬材料的剩余強度已進行大量工作，力圖獲得剩余強度隨裂紋增長的變化規(guī)律，并就已知可能的裂紋尺寸，預(yù)測是否滿足剩余強度要求。

線彈性斷裂力學(xué)經(jīng)過長期的實踐與理論研究，建立了裂紋擴展的K≥K_IC破壞準則，其中K為線彈性狀態(tài)下裂紋尖端的應(yīng)力強度因子，K_IC為斷裂韌性，是與材料有關(guān)的性能常數(shù)。對于傳統(tǒng)均勻金屬材料，K值有相應(yīng)的計算方法，然而對于金屬梯度材料，已有的預(yù)測技術(shù)不再適用，包括：

1)裂紋尖端應(yīng)力場變化劇烈及r^-1/2奇異性，通過傳統(tǒng)有限單元法計算裂尖應(yīng)力強度因子需要細分網(wǎng)格。對于金屬梯度材料，由于材料性能的變化，裂尖的應(yīng)力分布更加復(fù)雜，對網(wǎng)格質(zhì)量要求更高，計算成本過大，存在較大累積誤差，如沈逸文等發(fā)表的《金屬梯度材料應(yīng)力強度因子研究》的論文中則采用在構(gòu)建有限元模型時細分網(wǎng)格的方法來計算裂尖應(yīng)力強度因子；

2)使用擴展單元可以有效減少裂尖網(wǎng)格數(shù)量并降低計算成本。但對于金屬梯度材料，已有的擴展單元并不能實現(xiàn)單元內(nèi)部材料性能的變化，為模擬材料性能的梯度變化，網(wǎng)格單元尺度仍有較高要求；

3)由于材料性能梯度變化，應(yīng)力強度因子計算不再與積分路徑無關(guān)，傳統(tǒng)計算方法會造成極大誤差，不再適用；

4)對于梯度材料，斷裂韌性K_IC不再為定值，而是與裂尖所在位置處材料組份相關(guān)的變量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中通過對有限元模型細分網(wǎng)格從而導(dǎo)致計算成本過大且存在較大累積誤差的缺陷，采用擴展單元間斷的位移插值函數(shù)表征模型中裂紋行為，以裂紋長度a為變量，追蹤裂尖所在位置動態(tài)判斷K≥K_IC，以確定裂紋是否擴展，實現(xiàn)梯度材料的剩余強度預(yù)測。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開一種含裂紋金屬梯度材料剩余強度預(yù)測方法，具體包括以下步驟：

步驟1、構(gòu)建該金屬梯度材料的有限元模型，該有限元模型中以裂紋尖端所在單元的節(jié)點作為裂尖強化節(jié)點，以裂紋段所在單元的節(jié)點作為裂紋段強化節(jié)點，其余節(jié)點均為常規(guī)節(jié)點，其中裂紋尖端所在單元與裂紋段所在單元的交匯節(jié)點歸為裂尖強化節(jié)點，并對所有節(jié)點進行編號；

步驟2、將所有的裂尖強化節(jié)點納入裂紋尖端強化節(jié)點集N_Λ，所有的裂紋段強化節(jié)點裂紋段強化節(jié)點集N_Γ；

步驟3、獲取梯度區(qū)范圍內(nèi)所有節(jié)點對應(yīng)材料的彈性模量E、泊松比μ和斷裂韌性K_IC沿y方向的線性變化關(guān)系式，如下：