3.多尺度分析技术
通常人们将疲劳过程划分为两个阶段,即裂纹萌生与扩展阶段,采用不同理论分别进行描述。在裂纹形成阶段,工程师广泛采用Miner线性疲劳损伤累积理论进行分析;在裂纹扩展阶段,通常采用Paris公式进行分析。有了理论模型的支撑,就可以在产品设计早期对零件进行全面的疲劳分析,找出寿命的薄弱位置,进行基于寿命的分析优化,得到经过优化的产品结构。
解决动态断裂问题常用的数值方法有:
1)有限元的网格重构方法(remeshing technique),裂纹必须和单元网格边界相一致,每扩展一次,需要重新划分网格。
2)单元间内聚力模型(cohesive zone mode),在有限单元间插入带失效本构的接触单元(cohesive element),预先设定扩展路径,利用接触单元的失效模拟动态裂纹扩展。
3)扩展有限单元法(extended finite element method,XFEM),摆脱了传统有限单元法中裂纹对网格的依赖,不需网格重构和预设扩展路径即可实现裂纹的自动扩展。
以上方法旨在将疲劳破坏过程分为形成与扩展两个阶段进行处理,分别估算出两部分的疲劳寿命,从而预测整个疲劳寿命。但它们都忽略了疲劳是一个连续的物理过程,疲劳破坏过程从本质上讲,是从微观到宏观的跨尺度行为,应该在一个统一的理论框架下进行描述。
为什么说疲劳破坏从微观到宏观的发展过程具有典型的多尺度特征?这主要是因为材料微结构的力学、几何性质及其演化模式,对于疲劳裂纹的扩展行为与试件的疲劳寿命有重要影响。同时,前面提到的裂纹萌生理论是一种唯象的经验理论,“疲劳损伤”没有与疲劳破坏的物理机制相联系;用于裂纹扩展分析的Paris公式仅适用于宏观疲劳裂纹的稳定扩展阶段,无法分析疲劳裂纹形成阶段。可见,现在常规的方法都忽略了材料微观因素对疲劳裂纹扩展行为的影响。
而近几年兴起的多尺度疲劳断裂分析技术可用统一模型,对疲劳裂纹从“生”到“死”的过程中所表现的宏观行为和微观机理进行统一描述,而不必划分成疲劳裂纹形成与扩展两个不同阶段,采用不同的理论分别进行分析。
图3 多尺度疲劳断裂分析
4.索辰疲劳分析技术
索辰自主研发,国产可控的疲劳分析模块,基于粒子离散技术,并融合了多尺度疲劳断裂分析技术、多分辨率技术、扩展有限元技术等核心技术,能非常精确高效地预测结构的裂纹萌生寿命,裂纹扩展寿命以及全寿命。
图4 索辰疲劳分析