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多尺度分析,演绎裂纹从“生”到“死”

2018/8/1    来源:索辰信息    作者:佚名      
关键字:多尺度分析  疲劳分析  裂纹  
疲劳失效是极其复杂的过程,受多种因素的影响,这其中包括宏观力学范畴,即裂纹萌生、扩展直至破坏;还包括微观力学范畴,即材料的微结构及其过程演化。疲劳破坏过程,从破坏机理上讲,是裂纹从“生”到“死”的过程,其本质上是从微观到宏观的跨尺度行为。

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。

多尺度疲劳断裂分析

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。

索辰疲劳分析

图4 索辰疲劳分析

责任编辑:程玥
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