[发明专利]一种考虑微观组织的增材材料小裂纹扩展数值模拟方法

说明书

本发明涉及一种考虑微观组织的增材材料小裂纹扩展数值模拟方法，包括如下步骤：(1)根据增材制造材料“骨棒型”裂纹扩展试验件的尺寸建立平板件模型，并针对是否导入晶粒对模型进行分区，分别赋予各向同性与各向异性材料属性；(2)对平板件模型进行网格划分，并针对模型中间裂纹扩展区域进行网格局部加密；(3)导出模型几何及网格属性文件，结合MATLAB软件对增材制造材料晶体形貌及晶体取向的数学表征，完成微观组织建模；(4)为模型预制裂纹，采用扩展有限元法模拟材料小裂纹扩展行为，并针对材料实际情况，确定FATIGUE断裂准则中的参数值；(5)基于有限元软件ABAQUS进行材料小裂纹扩展行为模拟，获取裂纹扩展路径及裂纹扩展速率。

技术领域

本发明是一种考虑微观组织的增材材料小裂纹扩展数值模拟方法，它是一种能够考虑增材制造材料特殊的微观组织，包括晶体形貌以及晶体取向影响的小裂纹扩展数值模拟方法，属于航空航天发动机技术领域。

背景技术

增材制造不同于传统制造工艺，材料“自下而上、逐层堆积”成型，具有加工快捷、生产成本低、制造周期短、材料利用率高等特点，在加工复杂结构方面具有显著优势。应用于航空发动机，可以使其结构进一步轻量化和低成本化成为可能。

增材制造过程中的快速熔化及冷却凝固使得成型材料出现未熔合、气孔、夹杂等冶金缺陷，会加速裂纹萌生，在疲劳破坏三个阶段中，裂纹扩展占结构疲劳寿命的90％以上。而研究也表明，结构疲劳裂纹扩展寿命大多数消耗在受微观组织影响大的小裂纹阶段，其扩展机理与常规长裂纹呈现明显不同。所以在增材制造结构件的疲劳破坏过程中，必须考虑到微观组织影响，着重对其小裂纹扩展阶段进行研究。

然而，增材制造材料在加工时受高温度梯度的影响，其微观组织与传统制造成型相比有较大区别。例如，选区激光熔化TC4的微观组织中存在沿着沉积层方向生长的粗大柱状原始β晶粒，晶粒内为α+β片层状组织，并且材料会表现出明显的各向异性。因此，如何考虑特殊微观组织对小裂纹扩展的影响变得十分重要。

目前对于增材制造材料小裂纹扩展的研究基本以试验为主，试验存在成本高、操作困难、过程可重复性低等问题，因此开展考虑微观组织的增材制造材料小裂纹扩展数值模拟方法研究具有创新性。

发明内容

本发明技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种考虑微观组织的增材材料小裂纹扩展数值模拟方法，该方法能够考虑增材制造材料特殊微观组织的影响，包括晶体形貌及晶体取向，实现对增材制造材料小裂纹扩展行为的有效模拟，为后续对其疲劳寿命的准确预测奠定基础。

本发明技术解决方案：一种考虑微观组织的增材材料小裂纹扩展数值模拟方法，针对增材制造材料特殊的微观组织，通过商用有限元软件ABAQUS的INP数据文件，编写MATLAB脚本程序，实现对材料晶体形貌及晶体取向的表征，并采用扩展有限元法模拟小裂纹扩展行为，获得了裂纹扩展路径及裂纹扩展速率。

实现步骤如下：

第一步，以增材制造材料“骨棒型”裂纹扩展试验件尺寸为依据，为提高计算效率，仅保留试验件阶梯形状最小截面部分，结合圣维南原理建立平板件模型。为了进一步减少网格单元数，降低计算量，针对是否导入晶粒对模型区域进行划分，仅将模型中间部分裂纹扩展区域定义为考虑微观组织的区域，并为之赋予各向异性材料属性；其余区域并不考虑微观组织影响，即无需导入晶粒，赋予各向同性材料属性。

第二步，针对建立的平板件模型进行网格划分，线性减缩积分单元对位移求解结果比较精确，因此单元类型为8节点六面体线性减缩积分单元(C3D8R)。模型对中间导入晶粒区域的计算精度要求高，因此该区域内网格单元需要进行加密，增加其各边种子点数量，建立局部精密网格，保证该数值模拟方法对材料小裂纹扩展行为的求解精度；此外，在此区域周围设置单元过渡区，令单元大小由密向疏过渡。