[发明专利]一种引入残余应力的CT试样应力场及裂纹扩展分析方法

说明书

本发明涉及一种引入残余应力的CT试样应力场及裂纹扩展分析方法，本发明采用ABAQUS有限元分析软件建立CT试样有限元模型，通过直接赋值法和文件输入数值法赋予CT试样初始应力，并应用云图积分及扩展有限元技术对CT试样进行应力强度因子的计算和裂纹扩展的有限元模拟分析。本发明充分考虑不同的应力情况对裂纹扩展趋势的影响，得到了一种较为精确的计算引入残余应力的高温合金CT试样裂纹尖端应力强度因子和预测裂纹扩展规律的有限元模型，有效地预测了应力对裂纹扩展趋势的影响，该模拟方法能够广泛应用于航空航天领域，为预测残余应力及预处理对裂纹扩展行为的研究提供了一种新思路。

技术领域

本发明属于断裂力学数值仿真方法，涉及航空航天用高温合金在不同应力下裂纹尖端应力强度因子和扩展行为的研究。具体为一种引入残余应力的高温合金CT试样裂纹尖端应力强度因子及裂纹扩展的模拟方法。

背景技术

高温合金作为航空发动机涡轮、叶盘及燃烧室等部件的重要材料，具有优越的持久性和疲劳性能。高温合金的失效形式主要为疲劳断裂、应力腐蚀、氧化开裂，即在不同种条件下的断裂失效，因此研究高温合金的裂纹扩展行为显得尤为重要。裂纹的扩展行为属于断裂力学领域一个十分重要的方面，断裂力学属于固体力学领域，主要研究承受应力和应变的破裂体的行为，载荷的施加或残余应力起到了重要作用，此学科的目的是利用裂纹尖端周围的渐进场来描述裂纹尖端周围的局部变形。失效是材料在应用过程中需要面临的最大问题，因此众多学者将研究的重点放到材料的裂纹萌生及扩展行为中，但是在数值模拟的研究中，如何处理残余应力仍然是一大难题。江苏科技大学机械工程学院的朱永梅等人(朱永梅,姚祥,杨林锋,王芳,张建.深海球壳表面裂纹应力强度因子影响研究[J].船舶力学,2020,24(03):371-379.)建立了球壳在深海中表面裂纹应力强度因子计算模型，在已知接头应力分布规律的基础上，通过ABAQUS的Analytical Field建立线性分布的应力，施加到焊趾位置，最终成功应用FRANC3D软件计算出焊趾处裂纹的应力强度因子，此方法在应力分布规律已知，且规律较为简单的情况下可以较为准确地计算出了应力强度因子，但是在残余应力未知，或者分布规律不明显的情况下并不适用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：本发明涉及一种引入残余应力的CT试样应力场及裂纹扩展分析方法，所解决的技术问题是：CT试样引入残余应力和连续分析步中弹性材料的应力场传递。充分考虑不同的应力情况对裂纹尖端应力强度因子和裂纹扩展趋势的影响，建立有/无残余应力的高温合金CT试样模型，得到一种较为精确的计算引入残余应力的裂纹尖端应力强度因子和裂纹扩展的有限元模型，有效地预测了应力对裂纹扩展趋势的影响，为研究残余应力对高温合金CT试样裂纹扩展行为的研究打下了基础。

本发明的技术方案是：一种引入残余应力的CT试样应力场及裂纹扩展分析方法，包括以下步骤：

步骤1：确定高温合金残余应力的表征方案

使用ABAQUS有限元软件的Load模块中的Predefined Field Manager功能为进行分析的CT试样加载残余应力，根据所要分析CT试样的初始条件的不同，确定两种加载方案：方案1适用于对CT试样经预加载处理后裂纹行为的预测，而方案2可用于方案1适用范围之外的情况；

方案1：对CT试样施加预载荷，提取所产生的应力场，并将应力场输入给进行分析的CT试样；

方案2：在已知应力分布的条件下对分析CT试样进行分区直接赋值；

步骤2：残余应力的获取根据步骤1中的两个方案，确定残余状态及分布；

(1)方案1：创建一个基础的CT试样模型，且保证此模型的尺寸与网格的划分与后续需要建立的分析CT试样模型完全相同；

(2)方案2的赋值方法：将试样分成3个区域，即裂纹前沿区，开口区以及施力区3部分；在ABAQUS有限元分析软件中对CT试样的3个区域直接进行应力赋值，输入四个分应力赋值；