[發明專利]一種疲勞裂紋擴展壽命擴展有限元分析方法

在審

• 申請號: 202210916207.8
• 申請日: 2022-08-01
• 公開（公告）號: CN115458079A
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 寧睿;楊金日;王媛媛;王鈞;李柯潤
• 申請（專利權）人: 西安航空制動科技有限公司
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G06F30/23;G06F113/26;G06F119/02;G06F119/14
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 康進興

1.一種疲勞裂紋擴展壽命擴展有限元分析方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，建立三維實體模型：

采用CATIA三維建模軟件根據金屬結構件實物尺寸，建立建模三維結構模型，得到金屬結構件三維實體模型；

步驟2，簡化三維實體模型：

當建立的金屬結構件三維實體模型存在圓角、倒角及小孔等應力集中大的部位時，對三維實體模型進行簡化，刪除三維實體模型中的圓角、倒角及小孔，得到簡化三維實體模型；

當建立的金屬結構件三維實體模型不存在圓角、倒角及小孔等應力集中大的部位時，金屬結構件三維實體模型即為簡化三維實體模型；

步驟3，求取疲勞裂紋尖端應力分布：

將步驟2得到的簡化三維實體模型導入ABAQUS有限元分析軟件中，根據金屬結構件真實疲勞載荷譜通過ABAQUS軟件LOAD模塊施加在簡化三維實體模型上，通過ABAQUS有限元分析軟件得到疲勞裂紋尖端的應力分布；

步驟4，求取疲勞裂紋擴展壽命：

將步驟3所述疲勞裂紋尖端應力分布帶入ABAQUS有限元軟件中，基于結合虛擬裂紋閉合技術的擴展有限元方法，進行疲勞裂紋擴展壽命計算，得到不同循環數條件下的疲勞裂紋擴展壽命,即為疲勞裂紋擴展壽命。

2.根據權利要求1所述的疲勞裂紋擴展壽命擴展有限元分析方法，其特征在于，所述步驟4，進一步包括：

基于虛擬裂紋閉合技術的擴展有限元方法，計算疲勞裂紋擴展壽命的過程是：

第一步，測量金屬結構件疲勞裂紋的長度：

使用裂紋檢測儀測量疲勞裂紋的長度，將裂紋檢測儀起始位置與疲勞裂紋尖端對齊，測量疲勞裂紋的長度，即為金屬結構件疲勞裂紋的長度a；

第二步，計算金屬結構件疲勞裂紋尖端的臨界等效應變能釋放率：

按力學特征，裂紋分為三種類型，分別為Ι型、ΙΙ型和ΙΙΙ型，Ι型為張開型、ΙΙ型為滑開型、ΙΙΙ型為撕開型；

裂紋擴展準則為：

當裂紋尖端的應力強度因子K大于臨界應力強度因子K_c時，裂紋失穩，即裂紋擴展；當裂紋尖端的應力強度因子K小于或等于臨界應力強度因子K_c時，裂紋不擴展；

依據裂紋擴展過程與閉合過程能量守恒的原則，Ι型裂紋擴展的能量釋放率G_Ι的計算如下式：

式(1)中，K_Ι為Ι型應力強度因子，E為材料的彈性模型；

Ι型應力強度因子K_Ι的值按下式計算得出；

式(2)中，α為Ι型裂紋的幾何形狀因子，σ為正應力，a為裂紋長度；

依據疲勞裂紋擴展過程與閉合過程能量守恒的原則，ΙΙ型裂紋擴展的能量釋放率G_II的計算如下式：

式(3)中，K_ΙΙ為ΙΙ型應力強度因子，υ為材料的泊松比；

ΙΙ型應力強度因子K_ΙΙ的值按下式計算得出；

式(4)中，β為ΙΙ型裂紋的幾何形狀因子，τ為面內切應力；

依據疲勞裂紋擴展過程與閉合過程能量守恒的原則，ΙΙΙ型裂紋擴展的能量釋放率G_III的計算如下式：

式(5)中，K_ΙΙΙ為ΙΙΙ型應力強度因子；

ΙΙΙ型應力強度因子K_ΙΙΙ的值按下式計算得出；

式(6)中，γ為ΙΙΙ型裂紋的幾何形狀因子，τ_l為面外切應力；

采用Reeder準則，求取金屬結構件疲勞裂紋尖端的臨界等效應變能釋放率G_equiv的計算公式如下：

式(7)中，G_Ι，G_ΙΙ和G_ΙΙΙ分別為Ι型裂紋，ΙΙ型裂紋和ΙΙΙ型裂紋對應的應變能釋放率，G_ΙC，G_ΙΙC和G_ΙΙΙC分別為Ι型裂紋，ΙΙ型裂紋和ΙΙΙ型裂紋對應的臨界應變能釋放率；η為損傷因子，η＝1.5；

得到金屬結構件疲勞裂紋尖端的臨界等效應變能釋放率G_equiv；

第三步，計算疲勞裂紋擴展壽命：

將金屬結構件疲勞裂紋尖端的裂紋長度a和臨界等效應變能釋放率G_equiv帶入ABAQUS有限元軟件中，結合步驟3得到的金屬結構件疲勞裂紋尖端的疲勞裂紋擴展應力分布，運行ABAQUS有限元軟件，得到金屬結構件的疲勞裂紋擴展壽命，即為疲勞裂紋擴展壽命。