[發(fā)明專利]一種基于疲勞裂紋擴(kuò)展的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210155558.1
• 申請(qǐng)日: 2022-02-21
• 公開（公告）號(hào): CN114218661B
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何文濤;王昌梓;王樹青;謝凌俊;曹詩(shī)卉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)海洋大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/13
• 分類號(hào): G06F30/13;G06F30/23;G01M13/00;G06F119/04;G06F119/14
• 代理公司: 山東濟(jì)南齊魯科技專利事務(wù)所有限公司 37108
• 代理人: 趙明媚

1.一種基于疲勞裂紋擴(kuò)展的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，該方法包括：前處理、迭代求解以及裂紋擴(kuò)展，可分別借助SESAM，ABAQUS和FRANC 3D平臺(tái)完成，其中，SESAM平臺(tái)作為前處理器，其工況包括：S1模型建模、S2水動(dòng)力分析、S3結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析；ABAQUS負(fù)責(zé)三維裂紋擴(kuò)展區(qū)的定義，整個(gè)過程包括S4三維裂紋擴(kuò)展區(qū)建模，具體包括以下幾個(gè)步驟：S41實(shí)體模型的建模、S42裂紋擴(kuò)展區(qū)的定義、S43子模型重組、S44邊界載荷映射、S45有限元分析；FRANC 3D負(fù)責(zé)S5裂紋插入及網(wǎng)格更新，整個(gè)過程包括初始裂紋的插入和裂紋自動(dòng)擴(kuò)展，其中，裂紋自動(dòng)擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)包括以下技術(shù)環(huán)節(jié)：S6疲勞特性表征、S7增量計(jì)算判斷S8終止條件校驗(yàn)、S9服役年限統(tǒng)計(jì)；

所述模型包括S11幾何模型、S12水動(dòng)力模型以及S13結(jié)構(gòu)模型，其中，S11幾何模型包含結(jié)構(gòu)物尺寸及結(jié)構(gòu)信息，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇不同建模方式；S12水動(dòng)力模型是通過對(duì)幾何模型的水動(dòng)力性質(zhì)的定義和賦值來(lái)實(shí)現(xiàn)，是賦予幾何模型水動(dòng)力屬性后完成，包含濕表面的定義以及壓載艙水動(dòng)力屬性的定義；S13結(jié)構(gòu)模型用于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，包括結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分以及邊界的施加，除應(yīng)包含幾何模型信息之外，還應(yīng)對(duì)模型內(nèi)部所帶設(shè)備和質(zhì)量點(diǎn)予以合理布置，以盡量保證結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布與實(shí)際結(jié)構(gòu)吻合，此外，結(jié)構(gòu)模型應(yīng)完成結(jié)構(gòu)的離散和邊界條件的施加；

所述S2水動(dòng)力分析為求解結(jié)構(gòu)自身運(yùn)動(dòng)特性和波浪載荷，其工作的開展是基于勢(shì)流理論完成，內(nèi)容包括：S21波浪環(huán)境、S22水動(dòng)力屬性賦予以及S23浮態(tài)調(diào)整步驟；其中，S21波浪環(huán)境是指定義勢(shì)流理論分析用一系列規(guī)則波，包括浪向、波頻以及工作水深信息定義；S22水動(dòng)力屬性賦予是指莫里森結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)水動(dòng)力相關(guān)參數(shù)的定義；S23浮態(tài)調(diào)整則是針對(duì)重浮力不相等或首尾吃水與實(shí)際存在差異的情況進(jìn)行的模型姿態(tài)調(diào)整，通過壓載水的方式進(jìn)行處理；

所述S3結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析細(xì)化為S31整體模型強(qiáng)度分析和S32局部強(qiáng)度分析，其中，S31整體模型強(qiáng)度分析以結(jié)構(gòu)模型為載體，以水動(dòng)力分析波浪載荷為輸入，通過其分析結(jié)果確定結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)，確定子模型位置；S32局部強(qiáng)度分析分為子模型定義與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析，其中，子模型定義又可細(xì)化為：S321敏感區(qū)域定位、S322結(jié)構(gòu)模型細(xì)化和S323邊界提取應(yīng)用；

所述S41實(shí)體模型的建模：建模工作以SESAM中模型為參考，借助其參數(shù)化建模功能完成；

所述S42裂紋擴(kuò)展區(qū)的定義：根據(jù)疲勞熱點(diǎn)所在位置以及實(shí)體模型結(jié)構(gòu)之特點(diǎn)，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行分割后，進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，為提高仿真精度和計(jì)算效率，需要在裂紋擴(kuò)展區(qū)劃分較精細(xì)的網(wǎng)格，而剩余區(qū)域則保持相對(duì)較大的網(wǎng)格尺寸以確保仿真效率；

所述S43子模型重組：采用“Shell to Solid”約束完成實(shí)體模型與SESAM導(dǎo)出的FEM文件進(jìn)行拼接重組，形成新的組合模型；

所述S44邊界載荷映射：是指重組模型的邊界施加，該過程通過SESAM中子模型與ABAQUS中重組之子模型的單元節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)和位移映射完成；

所述S45 有限元分析：ABAQUS中運(yùn)行重組后的子模型，確定裂紋擴(kuò)展區(qū)中Mises應(yīng)力集中點(diǎn)；

所述S5裂紋插入及網(wǎng)格更新：根據(jù)S45中鎖定的Mises應(yīng)力集中點(diǎn)位置，根據(jù)設(shè)計(jì)工況確定的初始裂紋大小，在FRANC 3D中完成初始裂紋的插入；

所述S6疲勞特性表征：通過應(yīng)力強(qiáng)度因子傳遞函數(shù)對(duì)當(dāng)前裂紋尺寸和工況下的疲勞性能進(jìn)行表征，遍歷S2中所定義之規(guī)則波波浪環(huán)境，計(jì)算模型在初始裂紋缺陷和更新后裂紋前緣的應(yīng)力強(qiáng)度因子值以確定當(dāng)前裂紋尺寸及工況下應(yīng)力強(qiáng)度因子傳遞函數(shù)；

所述S7增量計(jì)算判斷，是指對(duì)當(dāng)前海況下的裂紋擴(kuò)展增量進(jìn)行判斷，以確定其值是否需要記入裂紋累積擴(kuò)展量；

所述S8終止條件校驗(yàn)，是指對(duì)程序的終止條件進(jìn)行判斷；

所述S9服役年限統(tǒng)計(jì)根據(jù)波浪散布圖之遍歷次數(shù)確定，散布圖遍歷一遍則計(jì)數(shù)一年，總共服役年限視為裂紋尺寸擴(kuò)展至臨界值時(shí)散布圖遍歷次數(shù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，該方法還包括自適應(yīng)裂紋增量?jī)?yōu)化控制，疲勞裂紋擴(kuò)展過程中裂紋前緣應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算需要多次插入裂紋并更新有限元模型，因此擴(kuò)展增量閾值采用自適應(yīng)步長(zhǎng)設(shè)置，仿真過程中，將其視為一個(gè)與裂紋大小相關(guān)的參數(shù)，只有當(dāng)裂紋擴(kuò)展增量超過閾值時(shí)，裂紋的插入和有限元模型的更新才會(huì)被執(zhí)行。