[发明专利]一种三维线性摩擦焊接头CT试样疲劳裂纹扩展模拟方法

权利要求书

1.一种三维线性摩擦焊接头CT试样疲劳裂纹扩展模拟方法，其特征在于具体步骤如下，且以下步骤均在有限元模拟软件ABAQUS中操作：

步骤一：建立三维线性摩擦焊模型；

首先，在有限元模拟软件ABAQUS中建立三维线性摩擦焊模型，所述模型包括可变形体焊件和刚体焊件，所述可变形体焊件为长方体结构，刚体焊件为二维矩形结构；

然后，将可变形体焊件赋予材料属性，再与刚体焊件叠加放置，使可变形体和刚体焊件相互接触；之后，依次在有限元模拟软件ABAQUS中创建分析步、设置接触属性、设置焊接参数、设置网格参数并划分网格；

最后，在job模块提交作业模拟焊接，得到线性摩擦焊接头；

步骤二：选取微区紧凑拉伸试样区域，并绘制应力云图草图；

在步骤一所得线性摩擦焊接头中，根据Mises数值选取应力最大值的正方体结构区域，将选定的一处应力集中区域作为预制裂纹区域；再对线性摩擦焊接头进行后处理，使用剖分功能对线性摩擦焊接头的正面、侧面以及底面进行剖分，获取所选应力集中区域的三面应力云图，并应用查询功能获取云图各分区的应力值；将获得的三个应力云图剪裁至与区域相同尺寸；

在UG软件中，应用插入光栅图像的功能，将获取的三个应力云图导入，绘制草图，保存为iges格式，用于ABAQUS软件的调用；

步骤三：建立线性摩擦焊接头微区裂纹扩展紧凑拉伸试样模型；

首先，建立三个紧凑拉伸试样模型，将所述步骤二获得的三个方向的iges文件分别导入三个紧凑拉伸试样模型的草图模块中；对建立的紧凑拉伸试样模型按草图进行分区，应用分区功能在紧凑拉伸试样模型上缺口的尖端位置绘制一条直线，作为初始裂纹；

然后，对分区后的紧凑拉伸试样模型依次设置材料属性、装配模型、设置分析步、设置裂纹属性、设置载荷与边界条件、设置网格属性并划分网格，以及设定疲劳参数；

最后，在job模块中提交作业，分析数据及三个方向上的紧凑拉伸模型中裂纹扩展行为，得到三个方向裂纹扩展结果，从而预估三维线性摩擦焊接头裂纹扩展趋势。

2.根据权利要求1所述三维线性摩擦焊接头CT试样疲劳裂纹扩展模拟方法，其特征在于：所述步骤一中可变形体焊件和刚体焊件的材料设置为高温合金GH4169，其材料属性包括密度、弹性和塑性性能参数、热导率以及比热容，其中性能参数均设置为与温度相关。

3.根据权利要求1所述三维线性摩擦焊接头CT试样疲劳裂纹扩展模拟方法，其特征在于：所述步骤一中，在step模块创建分析步：焊接过程的模拟选用温度-位移耦合的动态显式分析步，分析步时长设置为8s，设置质量缩放的参数；在other功能栏中设置ALE自适应网格属性，并对接触面附近的大变形区赋予ALE属性；

在interaction模块设置接触属性：设置刚体焊件与可变形体焊件的摩擦系数，该系数随温度变化而变化，为可变形体焊件赋予换热系数，可变形体焊件的下部环境条件为被夹持在卡具中，换热系数设置为1000W/(m²·K)，可变形体焊件的上部环境条件为与空气直接接触，换热系数设置为30W/(m²·K)；

在load模块设置焊接参数：在载荷功能栏设置为可变形体焊件施加焊接压力，在边界条件功能栏为刚体焊件设置振动参数，幅值条件设置为周期函数，其中参数包括振动幅度及振动频率；

在mesh模块设置网格参数并划分网格：为可变形体焊件设置网格参数，单元类型选择温度-位移耦合的CPE4RT四节点双线性位移-温度耦合平面应变四边形单元，并勾选减缩积分和沙漏控制；为焊件添加网格，将接触面附近的网格细化处理。

4.根据权利要求1所述三维线性摩擦焊接头CT试样疲劳裂纹扩展模拟方法，其特征在于：所述步骤三中紧凑拉伸试样模型为二维正方形结构，沿其中心轴开有矩形缺口。

5.根据权利要求1所述三维线性摩擦焊接头CT试样疲劳裂纹扩展模拟方法，其特征在于：所述步骤三中，为获得形状规则的网格，对裂纹前沿位置分区情况进行简化处理，保证所划分区在裂纹前沿位置为一条垂直于预制裂纹的直线，以减小网格形状对裂纹扩展的影响。