一种基于晶体塑性的高温合金材料短裂纹扩展数值模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种基于晶体塑性的高温合金材料短裂纹扩展数值模拟方法，包括如下步骤：(1)基于ABAQUS软件，以高温合金材料短裂纹扩展原位试验为依据，建立短裂纹扩展有限元模型，对模型进行分区；(2)基于材料的单轴拉伸应力应变曲线，使模型预测的应力应变曲线与单轴拉伸结果准确吻合；(3)导出模型的网格单元及节点信息，完成模型晶体塑性材料区域的微观组织建模；(4)将晶体塑性理论引入扩展有限元法，自定义短裂纹扩展判据，模拟短裂纹扩展行为；(5)采用类周期性跳跃法模拟短裂纹扩展过程。本发明专利技术对高温合金材料的微观组织进行精确表征，将其引入短裂纹扩展模型，聚焦短裂纹扩展特征，提升了高温合金材料短裂纹扩展数值模拟方法的准确性。方法的准确性。方法的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于晶体塑性的高温合金材料短裂纹扩展数值模拟方法


[0001]本专利技术属于航空航天发动机
，具体涉及一种基于晶体塑性的高温合金材料短裂纹扩展数值模拟方法。

技术介绍

[0002]涡轮盘作为航空发动机的关键重要部件，长期工作在高温、高转速的复杂环境下，承受大离心载荷及热应力。随着发动机性能的提高，涡轮盘工作条件越发严苛，已成为制约航空发动机发展的一大难题。高温合金材料作为先进发动机涡轮盘的首选材料，疲劳断裂是其主要失效形式之一。
[0003]在结构疲劳破坏的过程中，裂纹扩展可以分为短裂纹扩展、长裂纹扩展两个阶段，其中，短裂纹长度大约在10～20个晶粒尺寸范围内，其扩展寿命占疲劳寿命的70％以上，因此，准确评估短裂纹扩展阶段对结构疲劳寿命分析十分重要。
[0004]短裂纹扩展阶段的裂纹长度与晶粒尺寸处于同一量级，扩展过程受裂纹尖端微观组织的影响较大。相较长裂纹扩展阶段，短裂纹扩展路径曲折，在应力强度因子低于宏观门槛值时也会发生扩展，且扩展速率具有波动性，在裂纹通过晶界时受到阻碍作用扩展速率明显降低。
[0005]传统的裂纹扩展模拟方法多基于线弹性断裂力学，针对常规裂纹扩展阶段展开，不再适用于短裂纹扩展行为，无法解释短裂纹扩展路径偏折与扩展速率的波动特征，因此，聚焦短裂纹扩展特征，考虑晶体层级影响，从物理机制层面开展基于晶体塑性理论的高温合金材料短裂纹扩展数值模拟方法研究具有创新性。

技术实现思路

[0006]为克服现有技术的不足，本专利技术提供一种高温合金材料短裂纹扩展数值模拟方法，其基于晶体塑性理论，该方法能够考虑材料微观组织对短裂纹扩展的影响，实现对高温合金材料短裂纹扩展行为的模拟，为后续疲劳寿命预测及损伤容限设计奠定基础。
[0007]本专利技术技术解决方案：一种基于晶体塑性的高温合金材料短裂纹扩展数值模拟方法，基于高温合金材料电子背散射衍射(EBSD)检测结果，编写MATLAB脚本程序，对材料晶粒形貌、晶体取向进行表征，并采用扩展有限元法模拟短裂纹扩展，基于晶体塑性理论从物理机制层面自定义短裂纹扩展判据，获得短裂纹扩展速率及扩展方向。
[0008]实现步骤如下：
[0009]第一步，基于ABAQUS软件建立高温合金材料短裂纹扩展有限元模型。所述的有限元模型以高温合金材料原位疲劳试验中试验件的尺寸为依据，结合圣维南原理，模型仅保留试验件中间宽度最小的考核段部分。对模型进行分区，将裂纹萌生区域的附近划分为晶体塑性材料区域，其余部分划分为各向同性材料区域。模型网格单元类型采用8节点六面体线性单元(C3D8)，对晶体塑性材料区域进行网格单元细分，建立局部精细网格。
[0010]第二步，采用多晶材料的代表性体积单元模型拟合晶体塑性材料参数。晶体塑性
材料考虑了变形速率的强化作用，模型中控制单个滑移系塑性切应变速率的法则如下：
[0011][0012][0013]其中，为滑移系α的塑性切应变率，为参考塑性切应变速率，τ
α
为滑移系α的分解切应力，g
α
为滑移系α的当前强度，h
αβ
为硬化模量，为滑移系β的塑性切应变率，N
total
为滑移系总数量，n为滑移切应变率的率灵敏度参数，sgn(τ
α
)为符号函数：
[0014][0015]模型采用的硬化模型如下：
[0016][0017]h
αβ
＝qh(γ)(α≠β)
[0018]其中，h
αα
描述的是自硬化的影响，其中滑移系α＝β，h
αβ
描述的是潜硬化的影响，其中滑移系α≠β，q表征材料潜硬化与自硬化行为的关系，h0、h
s
、τ
s
分别为初始硬化模量、饱和硬化模量、饱和切应力，γ为所有滑移系的累积切应变；
[0019]引入符合材料微观结构统计学信息描述的代表性体积单元模型，由材料单轴拉伸应力应变曲线拟合晶体塑性本构模型中的正交各向异性弹性常数、滑移系硬化参数，使模拟预测的应力应变曲线与单轴拉伸结果准确吻合，反映多晶材料的力学性质；
[0020]为所述模型的裂纹萌生附近区域赋予拟合得到的晶体塑性材料的属性，其余区域赋予各向同性材料的属性。
[0021]第三步，完成短裂纹扩展有限元模型晶体塑性材料区域的微观组织建模。导出第一步有限元模型晶体塑性材料区域的网格单元编号、单元内节点编号、各节点的全局坐标，基于试验件电子背散射衍射(EBSD)检测结果，编写MATLAB脚本程序对试验件的微观组织进行表征。其中，试验件EBSD检测结果可以得到扫描点位置坐标及欧拉角取向信息，扫描点是指检测过程中入射电子束不断移动对样品指定区域进行扫描时所得到的样品相应位置点；
[0022]表征试验件微观组织的MATLAB脚本程序处理步骤包括：
[0023]将EBSD检测结果中扫描点的位置坐标与模型晶体塑性材料区域网格单元的信息进行对比，按照各扫描点是否属于同一单元完成对扫描点的分组，得到各个单元包含的扫描点及其相应欧拉角取向φ、
[0024]对分组后单元内相近的欧拉角进行合并，确定该单元中扫描点数量最多的取向为单元占优取向，将单元占优取向φ、转化为hkl晶体坐标系中的晶体取向g，作为该单元的晶体取向，所述hkl晶体坐标系为面心立方晶体三轴坐标系，h、k、l为晶体的三个晶轴，晶体取向转换表达式如下：
[0025][0026]由于所述试验件加工的尺寸具有分散性，其几何形状与模型并不完全一致，在进行相近欧拉角的扫描点合并时，不可避免的出现无取向“空”单元，判断所述“空”单元在所述晶体塑性材料区域中的位置，为其赋予与所述“空”单元几何位置最接近单元的晶体取向；
[0027]对比不同单元的晶体取向，将相邻单元中取向差小于10
°
的单元进行合并，构成同一晶粒，得到晶粒形貌及相应晶体取向，并将相关信息以ABAQUS商用有限元软件可识别的python语言形式进行储存，至此完成了所述高温合金材料的微观组织表征；
[0028]将运行MATLAB脚本程序得到的晶粒形貌、晶体取向信息导入短裂纹扩展模型的INP文件中，完成模型晶体塑性材料区域的微观组织建模。
[0029]第四步，将晶体塑性理论引入扩展有限元法，自定义反映短裂纹扩展物理机制的裂纹扩展判据。控制短裂纹扩展的判据采用ABAQUS商用有限元软件第一子程序自定义，由裂纹尖端前富集单元的单个滑移系累积切应变控制该单元的裂纹扩展，短裂纹扩展方向垂直于单个滑移系最大累积切应变所在的滑移面法向；
[0030]单元的单个滑移系累积切应变由ABAQUS商用有限元软件第二子程序计算得到，并将其储存在状态变量statev中，单个滑移系的累积切应变为：
[0031][0032]其中，t为时间，γ
α
为滑移系α的累积切应变，为滑移系α的塑性切应变速率。
[0033]自定义裂纹扩展判据的第一子程序仅作用于裂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于晶体塑性的高温合金材料短裂纹扩展数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：建立高温合金材料短裂纹扩展有限元模型，并对所述模型进行分区；所述高温合金材料短裂纹扩展有限元模型是指基于所述高温合金材料的短裂纹扩展原位试验中的试验件尺寸、试验条件建立有限元模型；所述对模型进行分区是指将所述模型划分为各向同性材料区域及晶体塑性材料区域，其中裂纹萌生区域的附近赋予晶体塑性材料属性，其余区域赋予各向同性材料属性；步骤(2)：采用多晶材料的代表性体积单元模型拟合晶体塑性材料参数；所述多晶材料的代表性体积单元模型是指符合材料微观结构统计学信息描述，可以准确反映多晶材料宏观力学性质的模型；所述拟合晶体塑性材料参数是指由材料的单轴拉伸应力应变曲线拟合晶体塑性本构模型中的正交各向异性弹性常数、滑移系硬化参数，使模拟预测的应力应变曲线与单轴拉伸的结果准确吻合；步骤(3)：对所述试验件的微观组织进行表征，完成所述模型的晶体塑性材料区域的微观组织建模；所述对试验件的微观组织进行表征是指导出所述模型的晶体塑性材料区域的网格单元编号、单元内节点编号、各节点的全局坐标，基于所述试验件的电子背散射衍射检测结果，为所述晶体塑性材料区域的单元赋予相应的晶体取向，合并晶体取向角差较小的单元，将其划分为同一晶粒，实现对材料微观组织的表征；所述完成所述模型的晶体塑性材料区域的微观组织建模是指将得到的材料晶粒形貌及晶体取向信息导入所述模型，从而实现对所述晶体塑性材料区域的微观组织建模；步骤(4)：将晶体塑性理论引入扩展有限元法模拟短裂纹扩展行为，自定义反映短裂纹扩展物理机制的裂纹扩展判据；所述将晶体塑性理论引入扩展有限元法是指基于晶体塑性理论计算模型应力、滑移系剪切应变相关物理量，采用无须网格重新划分的扩展有限元法模拟材料短裂纹扩展行为；所述自定义反映短裂纹扩展物理机制的裂纹扩展判据是指自定义裂纹扩展判据，从晶体层面确定控制裂纹尖端前单元开裂的准则及裂纹扩展方向；步骤(5)：采用类周期性跳跃法模拟材料短裂纹扩展过程，获取短裂纹扩展路径及扩展速率；所述类周期性跳跃法是指仅通过模拟一个循环代替裂纹尖端前单元开裂所需的循环数，从而实现裂纹在该单元内的扩展；所述获取短裂纹扩展路径及扩展速率是指在可视化模块中直接观察短裂纹扩展路径并对其进行后处理得到相应的裂纹长度，进而采用割线法计算裂纹扩展速率。2.根据权利要求1所述的高温合金材料短裂纹扩展数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(2)中的晶体塑性材料考虑了变形速率的强化作用，所述模型中控制单个滑移系塑性切应变速率的法则如下：移系塑性切应变速率的法则如下：其中，为滑移系α的塑性切应变率，为参考塑性切应变速率，τ
α
为滑移系α的分解切应力，g
α
为滑移系α的当前强度，h
αβ
为硬化模量，为滑移系β的塑性切应变率，N
total
为滑移
系总数量，n为滑移切应变率的率灵敏度参数，sgn(τ
α
)为符号函数：模型采用的硬化模型如下：h
αβ
＝qh(γ)(α≠β)其中，h
αα
描述的是自硬化的影响，其中滑移系α＝β，h
αβ
描述的是潜硬化的影响，其中滑移系α≠β，q表征材料潜硬化与自硬化行为的关系，h0、h
s
、τ
s
分别为初始硬化模量、饱和硬化模量、饱和切应力，γ为所有滑移系的累积切应变；为所述模型的裂纹萌生附近区域赋予拟合得到的晶体塑性材料的属性，其余区域赋予各向同性材料的属性。3.根据权利要求1所述的高温合金材料短裂纹扩展数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(3)中的所述模型的晶体塑性材料区域的微观组织建模是基于所述试验件的电子背散射衍射检测结果，编写脚本程序对其晶粒形貌、晶体取向进行复现，实现所述模型的微观组织建模，其中，所述试验件的电子背散射衍射检测结果得到扫描点位置坐标及欧拉角取向信息；所述模型的微观组织建模的脚本程序处理步骤包括：将所述电子背散射衍射检测结果中扫描点的位置坐标与所述模型的晶体塑性材料区域网格单元的信息进行对比，按照各扫描点是否属于同一单元完成对扫描点的分组，得到各个单元包含的扫描点及其相应欧拉角取向φ、对分组后的单元内相近的欧拉角进行合并，确定该单元中扫描...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡殿印，徐宇飞，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：