一种基于循环内聚力模型裂纹扩展的参数获取及模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种基于循环内聚力模型(cyclic cohesive zone model,CCZM)裂纹扩展的参数获取及模拟方法，可实现裂纹扩展过程的高效、精准量化。基于材料裂纹闭合测量试验，发展了考虑裂纹闭合效应的CCZM损伤参数拟合方法；开展材料单调拉伸条件下力

【技术实现步骤摘要】
with a cyclic cohesive zone model[J].International Journal ofFracture,2014,188(1):23
‑
45.”中采用UEL、UAMP和URDFIL进行模拟，但是UEL在前处理和后处理方面均没有UMAT使用灵活，而文中也没有描述UAMP的具体作用。此外，这样的模拟框架不能同步在分析中评估裂纹扩展，因此计算成本较高。
[0008]总之，现有技术针对CCZM缺乏从试验角度出发的、系统的模型参数获取方法，裂纹扩展模拟计算尚不成熟，不能满足裂纹扩展评估的需求。

技术实现思路

[0009]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于循环内聚力模型裂纹扩展的参数获取及模拟方法，实现裂纹扩展过程的高效、精准量化，达到了比FRANC3D等断裂分析软件分析更快速、比经验公式等拟合手段应用性更广、计算精度更高的效果。
[0010]本专利技术提出的循环内聚力模型CCZM损伤参数和准静态参数拟合方法解决了一直以来阻碍疲劳损伤模型推广应用的模型参数获取问题，从试验角度出发，考虑裂纹闭合效应拟合损伤参数，通过单调拉伸试验曲线拟合准静态参数。同时，也避免了以往研究中将损伤模型与断裂力学结合产生的自验证问题。本专利技术能够实现对裂纹扩展三个阶段的精确模拟，对航空发动机热端部件的损伤容限设计提供了支撑。
[0011]本专利技术的技术解决方案是：一种基于循环内聚力模型裂纹扩展的参数获取及模拟方法，包括如下步骤：
[0012]第一步，开展高温合金材料裂纹闭合测量试验，在疲劳加载过程中通过数字图像相关法(digital image correlation,DIC)对不同裂纹长度条件下的裂纹张开位移进行测试。通过MTS液压伺服疲劳机实现疲劳加载，采用双边远心镜头开展DIC测量。为了避免高温条件下热流对DIC测量的影响，配备蓝光光源和滤光片。测量时将加载频率降至0.25Hz，相机拍摄频率为10Hz，连续测量三个循环。试验得到载荷P和裂纹张开位移COD随加载的变化曲线，通过P
op
/P
max
确定裂纹闭合程度，P
op
和P
max
分别表示裂纹张开时和最大时的载荷，P
op
/P
max
表示裂纹闭合程度。CCZM定义每循环加载初期不产生损伤，超过损伤起始点后开始损伤累积。在循环加载过程中，循环内聚力模型加载达到损伤起始点前的无损伤累积阶段描述疲劳加载的裂纹闭合现象，而超过损伤起始点的损伤累积阶段则对应裂纹张开、扩展的阶段。CCZM描述裂纹闭合现象的表达式为：
[0013][0014]其中，下标d表示损伤起始点、下标max表示内聚力最大点。s表示归一化内聚力，λ
表示归一化张开位移，D表示损伤，W(
·
)表示朗伯特函数，e为自然指数。F和G为与损伤相关的函数，α、κ、ρ和为待获取的损伤参数。以不同损伤参数组合为输入开展数值仿真提取s
d
/s
max
，采用遗传优化算法拟合损伤参数。当模拟结果与裂纹闭合测量结果一致时，此时输入的参数组合即为裂纹扩展模拟所需损伤参数拟合结果。
[0015]第二步，开展高温合金材料单调拉伸试验，在单调拉伸过程中通过疲劳机载荷传感器和COD规对材料的力
‑
张开位移曲线进行测试。通过万能材料电子试验机实现拉伸加载，试验得到拉伸过程中材料的力F
‑
裂纹嘴张开位移CMOD关系。CCZM的指数型包络线描述材料的单调拉伸行为，其表达式为：
[0016][0017]其中，s表示归一化内聚力，λ表示归一化张开位移，D表示损伤，ε和ω为模型包络线准静态参数。通过裂纹嘴张开位移CMOD
‑
裂纹尖端张开位移CTOD转换为F
‑
CTOD关系，
[0018][0019]其中，a为裂纹长度，W为试件宽度，R/2为裂尖到CTOD测量点的距离，a
eff
为等效裂纹长度a
eff
＝a+R/2，代表a
eff
和W相关的函数。以F的最大值及其对应的CTOD值分别对力和张开位移进行归一化后，得到的曲线以最小均方误差为标准拟合ε和ω；
[0020]第三步，基于均匀脱粘模型的损伤表达式，考虑结构整体损伤状态建立改进的损伤演化方程，确定不均匀应力场下的损伤演化规律。所述改进的演化方程引入了等效张开位移λ
eff
确定当前结构整体的损伤状态，
[0021][0022]其中，括号<η>表示η恒为正，当η＜0时<η>＝0。表示损伤变化率，D表示损伤，表示张开位移变化率，λ表示归一化张开位移。所述等效张开位移为距裂纹尖端一定距离内张开位移的平均值，以量化梯度条件下的全局损伤状态，
[0023][0024]其中，L
CZ
表示内聚区大小，内聚区定义为真实裂纹尖端和虚拟裂纹尖端(裂纹扩展过程中内聚力的最大点)之间的距离。x表示沿裂纹扩展方向的坐标，裂纹尖端x＝0。在第一步和第二步获取了损伤参数和准静态参数后，通过所述改进的损伤演化方程计算裂纹扩展过程中的损伤。
[0025]第四步，建立内聚力单元和结构的失效准则。基于CCZM的裂纹扩展通过沿裂纹扩展路径的内聚力单元逐个失效实现，裂尖单元失效，则裂纹向前扩展一步。考虑数值计算的影响，定义归一化内聚力s＝10
‑3为内聚力单元的失效准则，定义裂纹扩展失稳为结构失效准则，裂纹扩展失稳表现为裂纹长度突然出现异常增大。所述内聚力单元和结构的失效准则通过编写UEXTERNALDB子程序实现。
[0026]第五步，基于有限元平台搭建四个子程序联合调用的计算框架，以第一步中获取的损伤参数和第二步中获取的准静态参数为输入，以第三步中改进的损伤演化方程定义损伤，实现基于CCZM对疲劳裂纹扩展的模拟。所述四个子程序包括UAMP、UMAT、URDFIL和UEXTERNALDB，采用FIRTRAN语言编写。UAMP子程序控制载荷幅值以加快模拟裂纹萌生阶段的速度，没有出现裂纹时施加2倍于正常大小的载荷加快损伤演化，出现裂纹后载荷降到正常大小，这与国标中规定的裂纹扩展试验开展流程一致；UMAT定义CCZM的损伤演化规律；URDFIL控制分析增量步：通过分析计算发现模型循环中的非线性行为至少需要40个增量步才能精确刻画，因此加载时设定20个增量步，而卸载由于不产生损伤，为降低计算成本设定为10个。该子程序同时在载荷峰值处提取数据，如果该增量步不是载荷峰值则直接跳入下一增量步。另外，当满足结构失效准则后用URDFIL结束分析。UEXTERNALDB定义失效准则，并在载荷峰值的增量步时读取URDFIL提取的数据判断裂纹长度。记录裂纹长度和循环数数据，即可对裂纹扩展模拟过程进行评估。
[0027]本专利技术与现有技术相比的有益效果在于：
[0028](1)本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于循环内聚力模型裂纹扩展的参数获取及模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：开展高温合金材料裂纹闭合测量试验，获取高温合金材料在给定试验条件下裂纹闭合程度测量结果；根据所述裂纹闭合程度测量结果，通过循环内聚力模型(cyclic cohesive zone model,CCZM)裂纹闭合表达式拟合CCZM模型的损伤参数；步骤2：开展高温合金材料单调拉伸试验，获取高温合金材料的力
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张开位移曲线，根据所述高温合金材料的力
‑
张开位移曲线拟合CCZM模型的准静态参数ε和ω；步骤3：采用结构整体损伤状态建立改进的损伤演化方程，确定不均匀应力场下的损伤演化规律；所述改进的损伤演化方程引入等效张开位移λ
eff
确定当前结构的损伤状态，所述等效张开位移λ
eff
为距裂纹尖端一定距离内张开位移的平均值；在步骤1和步骤2获取了损伤参数和准静态参数后，通过所述改进的损伤演化方程计算裂纹扩展过程中的损伤；步骤4：基于有限元平台搭建四个子程序联合调用的计算框架，以步骤1中获取的损伤参数和步骤2中获取的准静态参数为CCZM模型输入，以步骤3中改进的损伤演化方程定义损伤，采用四个子程序联合调用模拟疲劳裂纹扩展；所述四个子程序包括UAMP、UMAT、URDFIL和UEXTERNALDB；UAMP子程序控制疲劳载荷幅值以加快模拟裂纹萌生阶段的速度，没有出现裂纹时施加2倍于正常大小的载荷加快损伤演化，出现裂纹后载荷降到正常大小；UMAT定义循环内聚力模型CCZM的损伤演化规律；URDFIL控制分析增量步：加载时设定20个增量步确定模型非线性行为，卸载不产生损伤因此设定为10个；该子程序同时在载荷峰值处提取数据，如果该增量步不是载荷峰值则直接跳入下一增量步；另外，当满足结构失效准则后用URDFIL结束分析；UEXTERNALDB定义失效准则，并在载荷峰值的增量步时读取URDFIL提取的数据判断裂纹长度。记录裂纹长度和循环数数据，最终实现基于CCZM的疲劳裂纹扩展模拟和寿命评估。2.根据权利要求1所述的基于循环内聚力模型裂纹扩展的参数获取及模拟方法，其特征在于：所述步骤1中，所述CCZ...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡殿印，刘昱，毛建兴，刘茜，王荣桥，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：