CN112883507A - 一种三维线性摩擦焊接头ct试样疲劳裂纹扩展模拟方法 - Google Patents

一种三维线性摩擦焊接头ct试样疲劳裂纹扩展模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种三维线性摩擦焊接头CT试样疲劳裂纹扩展模拟方法，属于固相焊接与断裂力学领域；建立三维线性摩擦焊模型；首先，有限元模拟软件ABAQUS中建立三维线性摩擦焊模型后在job模块提交作业模拟焊接，得到线性摩擦焊接头；然后，选取微区紧凑拉伸试样区域，并绘制应力云图草图；最后，建立线性摩擦焊接头微区裂纹扩展紧凑拉伸试样模型，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；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。该模拟方法为焊接接头的断裂行为的研究提供了一种新思路，且可以减少大量的预处理和计算时间。

Description

一种三维线性摩擦焊接头CT试样疲劳裂纹扩展模拟方法
技术领域
本发明属于固相焊接与断裂力学领域，具体涉及一种三维线性摩擦焊接头CT试样疲劳裂纹扩展模拟方法。应用二维力学模型分析三维裂纹行为的方法，涉及三维线性摩擦焊接头的宏观变形行为、温度场和应力场演变，以及其微区裂纹扩展行为的研究。
背景技术
线性摩擦焊是一种固相连接技术，目前主要应用于航空航天领域，作为航空发动机整体叶盘的成型技术。此种技术依靠两个焊件作相对往复振动产生的摩擦热，软化接触面金属，使材料发生塑性流动，从而在固态下形成稳定的连接关系。线性摩擦焊具有焊前、焊后辅助清理工作较少，接头质量优于传统熔焊，且材料利用率高等优点。疲劳性能一直是航空航天领域最为重视的材料性能之一，它直接决定发动机的稳定性和使用寿命。在循环加载条件下，超过一定循环次数，焊接接头中常会出现疲劳裂纹，随着循环次数的增加，裂纹会进一步扩展直至接头完全断裂，从而导致结构部件的永久失效，可能会对人们的财产乃至生命带来不可不估量的损失。因此许多从事于材料力学方面研究的学者把工作的重点放在材料的疲劳性能和疲劳断裂行为上面。目前，对于裂纹行为模拟方面的开发仍然存在很大的挑战，取得结构的局部残余应力，并导入所建立的局部力学模型中便是难点之一。陈龙([1]陈龙.基于残余应力分析的TC4钛合金焊接接头表面强化工艺研究[D].郑州航空工业管理学院,2020.)对TC4激光焊接头残余应力对疲劳裂纹的影响进行了研究，并采用有限元技术模拟喷丸技术对残余应力的影响，其通过顺序热力耦合法求解淬火残余应力场，将应力场作为初始载荷条件，模拟喷丸处理对残余应力的影响，作者采用的方法仅适用于连续两个分析步选用的模型建立完全一致的模型，从而达到不变模型的顺序模拟的目的，并不能适用于模型发生改变的情况。本发明涉及的紧凑拉伸试样常用于裂纹扩展规律的研究以及材料断裂韧性的分析，在对此模型分析时，需要在接头中取出模型，因此需要一种新的引入残余应力的方式来分析应力对紧凑拉伸试样模型中裂纹扩展规律的影响规律。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种三维线性摩擦焊接头CT试样疲劳裂纹扩展模拟方法，采用二维微区紧凑拉伸模型对三维线性摩擦焊接头的裂纹扩展行为进行研究，对线性摩擦焊接头某一微区的三个截面进行裂纹扩展分析，进而达到从三个方向预测裂纹走向的目的，且采用二维力学模型进行分析大大缩短了计算时间，为线性摩擦焊接头裂纹扩展行为的研究起到一定的推进作用。
本发明的技术方案是：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，再和刚体焊件叠加放置，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***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。
本发明的进一步技术方案是：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。
本发明的进一步技术方案是：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。
本发明的进一步技术方案是：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。
本发明的进一步技术方案是：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。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤三中，在material设置材料属性：设置紧凑拉伸模型弹性属性和损伤属性参数，选用最大主应力损伤作为损伤判据，并对损伤演化参数和演化稳定性参数进行设定；
在assembly模块中装配模型；
在step模块设置分析步：分析步类型选择direct cyclic，循环周期设为0.2s，设置增量参数，类型选为固定，设置最大增量步为1000，设置傅里叶级数，初始10，最大值20，增量5；勾选低周疲劳分析，循环增量最小值设为1，最大值设为100，最大循环次数设为100；
在interaction模块中设置裂纹属性：在special功能栏中创建裂纹，裂纹所在区域选择整个紧凑拉伸试样，裂纹位置选择开口尖端处的直线，裂纹类型选择XFEM，允许裂纹扩展；
在Load模块设置载荷与边界条件：将紧凑拉伸模型中的孔的内表面与孔的中心点设为耦合关系，其中中心点作为控制点，在两个中心点上施加集中力，上孔设为Y方向正方向的力，下孔为Y轴负方向的力；对两个孔的X方向的位移和X-Y平面内的转动进行约束，便于计算收敛；使用Predefined Field Manager功能将步骤2中得到的应力云图中应力值赋予到相应的分区中；
在mesh模块中设置网格属性并划分网格：选用的单元属性为CPS4，线性四节点平面应力四边形单元，细化裂纹周围网格，提高计算精度。
此外还需在Model-Edit keywords功能栏中对疲劳参数进行设定。
本发明的进一步技术方案是：三个所述紧凑拉伸试样模型装配时，两两相互垂直设置。
有益效果
本发明的有益效果在于：目前所存在的考虑残余应力的裂纹扩展模拟分析方法中，所用的均为模型尺寸及网格均一致的顺序耦合法，如前文提到的喷丸残余应力场的分析，若模型发生变化，如本发明中所述测试断裂韧性的紧凑拉伸试样的模拟，此种方法便不再适用。本发明针对线性摩擦焊接头紧凑拉伸模型提出了一种将焊后残余应力引入网格形状、节点、网格编号均发生了变化的局部断裂分析模型的方法，解决了此方面的难题。本发明中为获得形状规则的网格以减少网格分布对裂纹扩展行为的影响，将裂纹前沿位置的分区简化为一条垂直于预制裂纹的直线，是一种存在分区情况下提升裂纹扩展方向准确性的新方法。
本发明首先进行三维高温合金线性摩擦焊的模拟，随后在其模拟结果的基础上根据Mises应力最大值所在的区域选取为应力集中区域，作为裂纹可能萌生的区域，由于三维力学模型的应力区域划分较为困难，因此本发明中从所选区域三个方向分别进行二维紧凑拉伸模拟，综合三个方向的裂纹扩展情况预测三维接头模型裂纹的行为，最终得到了一种有效的预测线性摩擦焊接头裂纹扩展行为的方法，得到了焊后残余应力对裂纹尖端应力场和扩展趋势的影响规律。该模拟方法为焊接接头的断裂行为的研究提供了一种新思路，且可以减少大量的预处理和计算时间。
附图说明
图1为线性摩擦焊几何模型尺寸图，单位为毫米；
图2为线性摩擦焊模型加载示意图；
图3为高温合金线性摩擦焊焊后应力云图；
图4为接头中微区三个面的位置；
图5为三面应力位置示意图；
图6为紧凑拉伸模型的尺寸图，单位为毫米；
图7为CT试样3种分区赋值结果；
图8为实例2中裂纹扩展结果；
图9为三维裂纹扩展形状示意图。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
线性摩擦焊接头裂纹疲劳扩展分析，本实施例子的具体方法包括以下步骤：
(1)进行高温合金线性摩擦焊的模拟，具体为：
在part模块建立两个模型，一个是三维可变形体焊件，尺寸为12mm×18mm×55mm；一个刚体平面焊件，有效尺寸为12mm×18mm(接触面尺寸)，尺寸如附图1所示；
在property模块设置材料属性：设置材料的弹性属性，热导率和比热参数，设置材料的本构模型，本发明选用Johnson-Cook本构模型，其中材料的静态屈服应力A＝963MPa，材料参数B、n、m分别为B＝937MPa，n＝0.33，m＝1.3，材料熔点Tm＝1260℃、室温Tr＝20℃；
在assembly模块将可变形体焊件和刚体焊件装配，使两焊件模型相互接触；
在step模块创建分析步：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，质量缩放倍数设置为1E9，为接触面附近的大变形区赋予ALE属性，网格重划频率选择1，每个增量步允许重新绘制网格次数设置为40次，场输出中勾选U、V、TEMP、NT、S、E结果数据，历程输出中勾选ALLAE、ALLCD、ALLFD、ALLIE、ALLPD；
在interaction模块创建换热条件：可变形体焊件接触面附近的区域直接与空气接触，换热系数为30W/(m2·K)，远离接触面的部分为夹具夹持端，换热系数为1000W/(m2·K)；
在load模块设置焊接条件：焊接压力设置为165MPa，加载在可变形体的底面上，方向为垂直指向接触面，初始温度设置为20℃；在边界条件功能中约束刚体焊件Y、Z方向的位移和所有方向的转动，使其仅在X方向往复振动，振动的加载选择周期型幅值作为加载方式，频率为25Hz，振幅为2.5mm，约束可变形体焊件X、Z方向的位移和所有方向的转动，使其仅能够在Y方向产生位移，具体的边界条件如附图2所示；
在mesh模块中划分网格：三维可变形体的单元类型选择为C3D8RT八节点温度-位移耦合的六面体单元，其中温度和位移的属性均为三向线性，并勾选沙漏控制和减缩积分选项。接头附近大变形区域网格按单元数量划分，其中18mm边长划分为45个单元，12mm边长划分为24个单元，全局网格尺寸设为0.0025mm，网格尺寸由焊件底部至接触面逐渐减小，共计21870个单元。
在job模块提交作业并进行分析，得到焊接接头形状的宏观变化和应力云图，结果如附图3所示。
(2)确定云图分区，依据云图绘制草图
本步骤依据步骤1中所获得应力分布确定裂纹存在的微区，微区的选择位置如图4所示，尺寸为2mm×2mm×2mm；应用ABAQUS后处理中剖分功能获取微区正面，侧面以及底面三个方向的应力云图，微区云图位置示意图如附图5所示。分别将三个面的云图导入三维绘图软件UG，并按照应力云图获得相应的应力分区草图，保存为iges文件。
(3)建立接头裂纹扩展紧凑拉伸模型，具体为：
在part模块建立几何模型，本发明中选用二维模型，试样的尺寸均设置为a＝0.38mm，W＝1.6mm，W1＝2mm，F＝0.5mm，R＝0.2mm，H＝1mm，对模型进行分区，初始裂纹长度设置为a0＝0.08mm，图6为示意图；(a为裂纹长度，是从拉伸圆环中点和预制裂纹末端的长度；W为拉伸圆环中点到试样远离预制裂纹一侧的距离；W1为试样的总长度；F为拉伸圆环中点至预制裂纹的距离；R为拉伸圆环半径；H为试样高度的一半)；
在property模块定义材料属性参数，选择弹性属性，杨氏模量为220GPa，泊松比为0.28；损伤准则选择Maxps最大主应力损伤，数值设置为1202MPa，损伤演化条件选择为按能量临界值判断，数值为1.37E-4J/mm3，损伤演化稳定系数设置为5E-5；
在assembly模块装配模型，并将模型设为独立；
在step模块设置分析步：创建Direct cyclic分析步，循环周期设为0.2s；增量设置为固定类型，最大增量步数设置为1E5，增量步大小设置为0.02，傅里叶级数保持默认，勾选低周疲劳分析选项，循环增量最小值设置为1，最大值设置为5，最大循环数设置为80，其余设置保持默认；场输出中勾选S、PHILSM、PSILSM、U、SDEG和STATUSXFEM；历程输出中勾选ALLAE、ALLCD、ALLFD、ALLIE、ALLPD；
在interaction模块中设置裂纹属性：在special功能栏中选择创建crack，勾选XFEM作为裂纹类型，在模型中选择裂纹所在区域(整个试样)及裂纹位置(试样开口尖端的直线)；设置紧凑拉伸试样的两个孔的内表面与孔中心的耦合约束，控制点为孔中心点；
在load模块设置加载条件：对两个中心点分别施加集中力，数值为50N，幅值类型选择周期型幅值，频率为5Hz。应用Predefined Field Manager功能直接为微区三个面的紧凑拉伸模型赋予焊后残余应力，赋值后效果如图7；
在mesh模块中设置网格属性及划分网格，CT试样采用CPS4四节点线性平面应力四边形单元。单元的全局尺寸设为0.1mm，试样分区部分单元尺寸设置为0.02mm，从正面，侧面和底面选取的紧凑拉伸模型分别含有1961，2758和1929个单元；
在job模块提交作业，获得三个方向裂纹扩展结果。
此实例所得结果如附图8所示，图中每组图的左侧为裂纹的扩展路径，右侧为循环结束后裂纹末端形状，其中图片的右侧边界为紧凑拉伸模型的右侧边界。由图片中可以得出结论：选取的微区三个方向上，裂纹扩展长度均长于无应力状态下的裂纹长度(无应力状态下，裂纹扩展至距边界9个单元的位置，侧面模型扩展至距边界6个单元的位置，正面和底面扩展至距边界7个单元的位置)，说明此微区中，裂纹在各个方向上扩展都较无应力状态下容易。从裂纹扩展路径来看，无应力状态下裂纹几乎成直线扩展，微区的三个方向上，侧面的裂纹有一定向上偏转的趋势，其余两个方向无明显偏转，可以预测三维裂纹扩展形状如图9所示。本专利采用微区三个方向上的二维力学模型分析三维裂纹的扩展行为，可以有效地降低计算量，同时对三维裂纹进行有效地预测，是一种合理的分析方法。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

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***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。
6.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，在material设置材料属性：设置紧凑拉伸模型弹性属性和损伤属性参数，选用最大主应力损伤作为损伤判据，并对损伤演化参数和演化稳定性参数进行设定；
在assembly模块中装配模型；
在step模块设置分析步：分析步类型选择direct cyclic，循环周期设为0.2s，设置增量参数，类型选为固定，设置最大增量步为1000，设置傅里叶级数，初始10，最大值20，增量5；勾选低周疲劳分析，循环增量最小值设为1，最大值设为100，最大循环次数设为100；
在interaction模块中设置裂纹属性：在special功能栏中创建裂纹，裂纹所在区域选择整个紧凑拉伸试样，裂纹位置选择开口尖端处的直线，裂纹类型选择XFEM，允许裂纹扩展；
在Load模块设置载荷与边界条件：将紧凑拉伸模型中的孔的内表面与孔的中心点设为耦合关系，其中中心点作为控制点，在两个中心点上施加集中力，上孔设为Y方向正方向的力，下孔为Y轴负方向的力；对两个孔的X方向的位移和X-Y平面内的转动进行约束，便于计算收敛；使用Predefined Field Manager功能将步骤2中得到的应力云图中应力值赋予到相应的分区中；
在mesh模块中设置网格属性并划分网格：选用的单元属性为CPS4，线性四节点平面应力四边形单元，细化裂纹周围网格，提高计算精度。
此外还需在Model-Edit keywords功能栏中对疲劳参数进行设定。
7.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：三个所述紧凑拉伸试样模型装配时，两两相互垂直设置。
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