[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

本發明涉及一種疲勞裂紋擴展壽命擴展有限元分析方法，包括如下步驟：建立三維實體模型、簡化三維實體模型、求取疲勞裂紋尖端應力分布、求取疲勞裂紋擴展壽命。所述求取疲勞裂紋擴展壽命的過程包括測量金屬結構件疲勞裂紋的長度、計算金屬結構件疲勞裂紋尖端的臨界等效應變能釋放率、計算疲勞裂紋擴展壽命。本發明方法將虛擬裂紋閉合技術應用于擴展有限元方法中，達到無需預制指定裂紋擴展路徑即可模擬裂紋擴展的目的，從而在裂紋尖端可以自動生成精細化網格，節省了建模所需要的時間，減少了工作量，提高了裂紋擴展壽命計算的準確度。

技術領域

本發明涉及航空飛行器結構設計及分析技術領域，具體是一種用于金屬結構件的疲勞裂紋擴展壽命擴展有限元分析方法。

背景技術

傳統疲勞分析是一種統計分析，通過試驗獲得材料的S-N曲線或E-N曲線，然后采用應力疲勞分析或應變疲勞分析對結構的疲勞壽命進行預測，然而試驗中采用的試件往往是小試件，獲得的曲線并不一定適用于整體、復雜結構的疲勞壽命預測，而有限元方法能夠對結構整體進行計算分析，得到的疲勞壽命精確度高。

然而，國內常規有限元法(Conventional Finite Element Method，CFEM)，需采用連續函數作為形狀(插值)函數，在單元內部形狀函數和材料性能必須保證連續，對內部存在裂紋或空洞等間斷面的結構進行分析時，間斷面需與網格邊界重合，網格節點需與間斷面的尖端重合，在裂尖附近需進行高密度的網格劃分，如此才能精準的反映裂紋尖端附近的應力場，而且在進行裂紋擴展的模擬時，需要隨著裂紋的擴展同步進行網格再劃分工作，效率低，工作量大，浪費時間，不能解決多裂紋問題，求解時產生的巨大數據量，計算機經常報錯、死機，網格實時劃分難以想象的困難，常常讓人失去耐心。

美國西北大學Belytcshko教授的研究小組于1999年提出了擴展有限元思想，該方法致力于解決不連續問題為著眼點，對常規有限元法在求解裂紋問題時所遇到的困難提出了近乎完美的解決方案。但《模擬三維裂紋問題的擴展有限元法》文中在2019年指出擴展有限元法作為迄今為止求解不連續力學問題最有效的數值方法，但該方法在對裂紋擴展進行模擬時，無需對裂紋面進行網格劃分，網格劃分不用保證與結構內部的裂紋面重合，只需將結構進行普通的網格劃分，裂紋尖端應力場的計算與裂紋面擴展計算相互獨立，從而避免了在裂紋尖端進行高密度網格劃分的困難，同時帶來的問題是裂紋尖端計算結果可信度低。

發明內容

為了克服有限元分析方法技術難度大，且無法精確計算疲勞裂紋擴展壽命的問題，本發明提出了一種疲勞裂紋擴展壽命擴展有限元分析方法。

本發明為了解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種疲勞裂紋擴展壽命擴展有限元分析方法，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