一种用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法技术

技术编号:20390046 阅读:15 留言:0更新日期:2019-02-20 02:55
本发明专利技术公开了一种用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法,包括以下步骤:在有限元软件定义材料属性;进行3维有限元划分;对有限元模型施加约束及载荷;设置应力强度因子计算;求解,获得有限元结果;提取有限元模型裂纹尖端各节点的应力强度因子和节点坐标,并生成输出文件;生成批处理文件;将应力强度因子和节点坐标输出文件导入数据处理软件,计算并生成文件;将批处理命令流、输出文件和上述计算结果文件导入优化软件;设置变量、约束条件和优化目标;进行优化计算,得到最终优化参数。本发明专利技术采用了优化软件自动对侧槽几何参数进行优化,因此能更高效、快速的获得更加准确的最优侧槽形状,保证裂纹前沿应力强度因子的一致性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法
本专利技术属于材料试验方法
,具体涉及一种用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法。
技术介绍
航空发动机轮盘的损伤容限设计理念是在假设存在来自于材料内部或加工的缺陷的条件下,根据实际载荷条件和材料的裂纹扩展速率确保轮盘的使用寿命。因此,损伤容限设计的关键问题之一是依据准确的裂纹扩展率数据建立可靠的裂纹扩展模型,在此基础上,准确预测从初始缺陷到裂纹扩展至轮盘失稳破裂的寿命。金属材料裂纹扩展行为和模型的研究通常是基于材料标准CT试样的裂纹扩展试验。对于标准CT试样裂纹扩展试验,裂纹贯穿板厚,一般假设裂纹均匀扩展,裂纹尖端应力强度因子数值根据试验标准提供的基于平面应力状态假设得到的经验公式计算。然而CT试样裂纹前缘的实际应力状态为非均匀的,中心区域接近平面应变状态,应力强度因子最大,两侧应力强度因子逐渐减小。所以CT试样贯穿裂纹的扩展一般是不均匀的,通常中心区域扩展快,两侧扩展慢,裂纹扩展存在三维拘束效应,裂纹前缘的应力状态分布尤其是Z向应力(平行于裂纹前缘的应力)影响其裂纹扩展过程。因此,基于标准CT试样测试获得的裂纹扩展率数据是模糊平均的结果。而蠕变、疲劳以及蠕变-疲劳等裂纹扩展试验的ASTM标准中,建议采用20%总厚度的60°夹角的V型侧槽。文献研究表明,采用标准建议的V形侧槽并不能保证裂纹前缘断裂参数分布的一致性。因此,针对这一问题,对带侧槽试件,提出一种用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法,以便快速、高效、准确地针对不同尺寸的试件获得最优侧槽几何形状,保证裂纹前沿断裂参数的一致性,从而保证裂纹扩展前沿平直度,获得准确的裂纹扩展率数据。
技术实现思路
为弥补现有标准在裂纹扩展试件侧槽形状方面的不足,本专利技术的目的是提供一种用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法,以获得最优侧槽形状。为实现上述目的,本专利技术采用的技术方案为:一种用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法,其特征在于:包括以下步骤:(1)在有限元软件中定义拉伸试件所用材料的属性;材料的属性包括弹性模量和泊松比;(2)在有限元软件中对带侧槽试件模型进行3维有限元划分,得到有限元模型;(3)对有限元模型施加约束及载荷;(4)设置应力强度因子计算;(5)求解,获得有限元结果;(6)在通用后处理器中,提取有限元模型裂纹尖端各节点的应力强度因子和节点坐标,并生成输出文件;(7)在有限元软件中,生成批处理文件;(8)将步骤(6)生成的应力强度因子和节点坐标输出文件导入数据处理软件,并计算;(9)将步骤(7)生成的批处理文件、步骤(6)生成的输出文件和步骤(8)的计算结果文件导入优化软件;(10)在优化软件中设置变量、约束条件和优化目标;(11)进行优化计算,得到最终优化参数。所述步骤(1)中,定义拉伸试件所用材料的属性是将任意一种镍基合金的弹性模量和泊松比通过命令流或GUI方式输入到有限元软件中。所述步骤(2)中,建立带侧槽CT试件的1/4有限元模型,并对所述1/4有限元模型的裂纹尖端部位建立奇异单元,并局部细化区域网格;同时由于应力强度因子在靠近边界部分变化明显,因此沿厚度方向边界网格细,中心网格粗;其中,带侧槽CT试件的尺寸为:厚度T=10mm,宽度W=20mm,加载销钉孔直径D=7mm,初始裂纹长度a0=10mm,试件的裂纹张开端面距初始裂纹尖端l=17mm。所述步骤(3)中,对步骤(2)中得到的有限元模型在对称面施加对称约束,在销钉位置施加等效的压力载荷。所述步骤(4)中,定义有限元模型的裂纹前沿节点集合,和裂纹张开部分任意一个节点的集合,采用交互积分法计算应力强度因子,通过命令流方式输入有限元软件,创建一个应力强度因子计算。所述步骤(6)中,通过命令流方式,自动提取有限元模型裂纹尖端各节点的应力强度因子和节点坐标,并生成输出文件。所述步骤(7)中,通过命令流或GUI方式将整个有限元计算过程生成批处理命令。所述步骤(8)中,数据处理软件是Excel;具体步骤是:将应力强度因子和节点坐标文件导入Excel,按照距中心位置坐标排序,并计算内部1/2节点应力强度因子K的平均值EK1/2;对所有K求方差,定义为SK1,将所有应力强度因子K对EK1/2按照以下公式计算SK2,并生成Excel文件;上式中,n代表裂纹前沿节点总数,Ki代表第i个节点处的应力强度因子,1≤i≤n。所述步骤(9)中,在优化软件Isight中创建新工程,从ApplicationComponents中添加Calculator、Simcode和Excel组件,从ProcessComponents添加Optimization,创建优化循环;将步骤(6)生成的输出文件、步骤(7)生成的批处理文件和脚本文件导入Simcode组件;将步骤(8)的计算结果生成为Excel文件并导入Excel组件。所述步骤(10)中,在优化软件Isight内,在Excel组件中,定义裂纹前沿所有节点的应力强度因子Ki为数组K,定义Excel文件中的SK1为变量SK1,定义Excel文件中的SK2为变量SK2;在Simcode组件内,定义输入文件中的几何参数底部半径r,底部圆弧圆心坐标o,直线段张角theta为优化变量,以厚度中心为原点,沿厚度方向为x坐标轴,垂直于裂纹扩展面方向为y坐标轴,定义点A(Ax,0)为侧槽根部与x轴的交点坐标,定义点B(Bx,By)为侧槽根部圆弧与侧槽直线段过渡的切点坐标,试件半厚度T1/2=5mm,定义点C(5,Cy)为侧槽直线段与试件边界交点,裂纹张开端距初始裂纹尖端距离l=17mm,定义MB,PB,MC,PC为有限元模型裂纹尖端分区域划分奇异单元所需参数;以上参数随计算而迭代优化;将输出文件的应力强度因子Ki和Excel组件中的K建立映射关系;在Calculator组件中,定义上述优化变量和模型参数的关系,如下式:AX=o-rBX=o-r*cos(theta/180*pi())BY=r*sin(theta/180*pi())CY=r*sin(theta/180*pi())+(5-o+r*cos(theta/180*pi()))/tan(theta/180*pi())MB=-17-BYPB=-17+BYMC=-17-CYPC=-17+CY在Optimization中,设置优化算法为Hooke-Jeeves,优化步数为1000,设置优化变量为r,o,theta,设置约束条件Ax<4.9,Bx<5,设置优化目标为SK1,SK2达到最小值。本专利技术的有益效果是:本专利技术采用优化软件针对CT试件的侧槽形状进行自动优化,以裂纹前沿应力强度因子的一致性为优化目标,可以在很大范围内寻求侧槽几何参数的最优解;同时,针对不同厚度,不同几何尺寸的CT试件可以快速、高效地寻求最优侧槽形状,保证裂纹前沿应力强度因子的一致性,从而保证裂纹扩展试验中裂纹前沿的平直度,提高试验数据的准确性,为获得更准确的裂纹扩展模型打下基础。附图说明图1是有限元模型整体网格图;图2是有限元模型裂纹尖端奇异单元和局部细化图;图3是有限元模型沿厚度方向单元大小变化图;图4是有限元模型施加约束和载荷图;图5是Isight软件中优化循环图;图6本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法,其特征在于:包括以下步骤:(1)在有限元软件中定义拉伸试件所用材料的属性;材料的属性包括弹性模量和泊松比;(2)在有限元软件中对带侧槽试件模型进行3维有限元划分,得到有限元模型;(3)对有限元模型施加约束及载荷;(4)设置应力强度因子计算;(5)求解,获得有限元结果;(6)在通用后处理器中,提取有限元模型裂纹尖端各节点的应力强度因子和节点坐标,并生成输出文件;(7)在有限元软件中,生成批处理文件;(8)将步骤(6)生成的应力强度因子和节点坐标输出文件导入数据处理软件,并计算;(9)将步骤(7)生成的批处理文件、步骤(6)生成的输出文件和步骤(8)的计算结果文件导入优化软件;(10)在优化软件中设置变量、约束条件和优化目标;(11)进行优化计算,得到最终优化参数。

【技术特征摘要】
1.一种用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法,其特征在于:包括以下步骤:(1)在有限元软件中定义拉伸试件所用材料的属性;材料的属性包括弹性模量和泊松比;(2)在有限元软件中对带侧槽试件模型进行3维有限元划分,得到有限元模型;(3)对有限元模型施加约束及载荷;(4)设置应力强度因子计算;(5)求解,获得有限元结果;(6)在通用后处理器中,提取有限元模型裂纹尖端各节点的应力强度因子和节点坐标,并生成输出文件;(7)在有限元软件中,生成批处理文件;(8)将步骤(6)生成的应力强度因子和节点坐标输出文件导入数据处理软件,并计算;(9)将步骤(7)生成的批处理文件、步骤(6)生成的输出文件和步骤(8)的计算结果文件导入优化软件;(10)在优化软件中设置变量、约束条件和优化目标;(11)进行优化计算,得到最终优化参数。2.根据权利要求1所述的用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法,其特征在于:所述步骤(1)中,定义拉伸试件所用材料的属性是将任意一种镍基合金的弹性模量和泊松比通过命令流或GUI方式输入到有限元软件中。3.根据权利要求1所述的用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法,其特征在于:所述步骤(2)中,建立带侧槽CT试件的1/4有限元模型,并对所述1/4有限元模型的裂纹尖端部位建立奇异单元,并局部细化区域网格;同时由于应力强度因子在靠近边界部分变化明显,因此沿厚度方向边界网格细,中心网格粗;其中,带侧槽CT试件的尺寸为:厚度T=10mm,宽度W=20mm,加载销钉孔直径D=7mm,初始裂纹长度a0=10mm,试件的裂纹张开端面距初始裂纹尖端l=17mm。4.根据权利要求1所述的用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法,其特征在于:所述步骤(3)中,对步骤(2)中得到的有限元模型在对称面施加对称约束,在销钉位置施加等效的压力载荷。5.根据权利要求1所述的用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法,其特征在于:所述步骤(4)中,定义有限元模型的裂纹前沿节点集合,和裂纹张开部分任意一个节点的集合,采用交互积分法计算应力强度因子,通过命令流方式输入有限元软件,创建一个应力强度因子计算。6.根据权利要求1所述的用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法,其特征在于:所述步骤(6)中,通过命令流方式,自动提取有限元模型裂纹尖端各节点的应力强度因子和节点坐标,并生成输出文件。7.根据权利要求1所述的用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法,其特征在于:所述步骤(7)中,通过命令流或GUI方式将整个有限元计算过程生成批处理命令。8.根据权利要求1所述的用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法,其特征在于:所述步骤(8)中,数据处理...

【专利技术属性】
技术研发人员:胡绪腾张冬阁宋迎东贾旭叶文明
申请(专利权)人:南京航空航天大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

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