一种介观尺度裂纹扩展行为的数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种介观尺度裂纹扩展行为的数值模拟方法，步骤如下：首先通过应变控制低周疲劳试验获取材料的力学性能参数，再采用Voronoi算法得到介观模型，然后利用商用有限元软件ABAQUS进行分区建模、划分网格、静力学求解、根据试验载荷条件设置边界条件。通过Python编写脚本使弹性模量、孔隙分别随机分布在介观模型单元中；运用ABAQUS二次开发的USDFLD子程序编写Basquin

【技术实现步骤摘要】
一种介观尺度裂纹扩展行为的数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及应变控制低周疲劳领域，具体为一种介观尺度裂纹扩展行为的数值模拟方法。

技术介绍

[0002]增材制造技术不同于传统的制造技术。增材制造是一种以激光或电子束为热源，以金属粉末颗粒或金属丝状为成形原材料，根据所需零件的三维造型数据按设定的扫描路径逐层打印的技术。这种制造技术与传统的减材制造技术相比，可以大大的节省原材料，缩短生产周期，使得生产成本得到降低。同时，研究发现增材制造的零件其力学性能优异。因此，在航天航空，医疗器械等领域增材制造技术得到广泛运用。
[0003]根据研究报道了解在增材制造的零件中存在着随机分布的缺陷如未熔合颗粒、气孔和微裂纹。未熔合颗粒的形成原因是相邻的激光道之间存在重叠区，该重叠区的深度小于粉末层厚度从而导致重叠区下面的粉末层未被熔化。气孔的形成是由于成形材料冷却速度过快使得内部的气体无法逸出。所以未熔合颗粒和气孔的形成与工艺参数密切相关。增材制造是一个局部区域快速熔化、凝固的过程。在这个过程中熔池中粉末原材料熔化、凝固的速率比周边区域更快，最终导致残余应力的产生。当残余应力高于材料的强度极限则会出现微裂纹。通过热处理可以消除这种残余应力，但是内部的孔隙仍然存在。
[0004]研究发现孔隙往往是裂纹萌生的源头，它们的存在会缩短零件的服役时间。因此，研究热处理过后的零件内部的孔隙对裂纹演化的影响变得尤为重要。本专利技术提出了一种在介观尺度范围内考虑了随机分布的孔隙和弹性模量因素裂纹扩展行为的数值模拟方法。
专利
技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供了一种介观尺度裂纹扩展行为的数值模拟方法。通过考虑晶胞分布的不均匀性、晶胞内部方向的各向异性、晶胞内弹性模量分布的不均匀性和孔隙分布的随机性，能够有效地模拟经热处理的SLM Ti
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6Al
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4V内部的细观结构，并在介观尺度范围内模拟受晶胞内弹性模量分布的不均匀性和孔隙分布的随机性的影响的低周疲劳裂纹扩展行为。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案。
[0007]一种介观尺度裂纹扩展行为的数值模拟方法，包括以下步骤：
[0008]步骤S1、利用选择性激光熔化技术制备试验用圆棒试样SLM Ti
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4V，经800℃热处理，在应变控制下对热处理的圆棒试样SLM Ti
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4V进行低周疲劳试验获取其力学性能，然后根据Ramberg
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Osgood方程和材料相关的力学参数得到循环应力
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应变曲线，损伤系数可由损伤演化方程式结合试验数据得到；
[0009]步骤S2、获取圆棒试样SLM Ti
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6Al
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4V材料的组织形貌信息，借助MATLAB软件根据Voronoi算法得到介观模型；
[0010]步骤S3、将步骤S2得到的介观模型导入ABAQUS软件中，按照试样尺寸在ABAQUS中
建立仿真模型，对仿真模型按裂纹的扩展区域进行划分，得到介观模型区和非介观模型区；
[0011]步骤S4、对步骤S3中建立的仿真模型进行网格划分，为了确保模拟结果的精确性，在介观模型区和非介观模型区之间的过渡区采用过渡网格画法进行网格划分；
[0012]步骤S5、材料属性赋予：将步骤S1中获取的圆棒试样SLM Ti
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4V材料力学性能参数和循环应力
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应变曲线输入到ABAQUS软件的材料属性中；
[0013]步骤S6、分析步设置：采用静力通用分析步；
[0014]步骤S7、在ABAQUS中利用Python脚本实现弹性模量和孔隙的随机分布；脚本一：弹性模量的随机分布，首先让弹性模量服从一个正态分布，再随机得从正态分布里面挑选若干个弹性模量，最后让挑选地若干个弹性模量随机赋予到模型的各个单元中；脚本二：孔隙的随机分布，首先在介观区随机得选取相应数量的单元，再将这些单元建立一个集合，最后将这个集合利用生死单元技术杀死；
[0015]步骤S8、根据试验的实际载荷条件设置模拟中的边界条件；
[0016]步骤S9、编写USDFLD子程序，首先采用Basquin
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Coffin
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Manson通用方法对材料的疲劳寿命进行预测，再采用连续损伤力学模型计算每个循环下单元的损伤值，将单元的每个循环的损伤值进行累加，如果累加的损伤值超过设定的阈值，最后借助ABAQUS中的单元删除技术将相应的单元删除，从而来模拟裂纹的扩展；
[0017]步骤S10、提交作业，查看模拟的裂纹扩展结果，分析其裂纹演化过程并处理模拟结果数据从而获取裂纹尖端的应力强度因子和裂纹扩展速率曲线。
[0018]具体地，步骤S1中所述根据Ramberg
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Osgood方程和材料相关的力学参数得到循环应力
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应变曲线，Ramberg
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Osgood表达式如下：
[0019][0020]式中，k
′
和n
′
分别是循环强度系数和循环应变硬化指数，E是循环弹性模量。
[0021]具体地，步骤S9中所述Basquin
–
Coffin
–
Manson通用方法表达式如下：
[0022][0023]式中，σ
′
f
和ε
′
f
表示疲劳强度系数和疲劳延性系数，b和c是疲劳强度指数和疲劳延性指数。
[0024]具体地，步骤S9中所述连续损伤力学模型计算每次循环的疲劳损伤表达式如下：
[0025][0026]式中，p是损伤系数；
[0027]对上式进行积分可得到损伤演化方程式：
[0028][0029]本专利技术所具有的优点和有益效果为：
[0030]本专利技术方法将试验数据与数值模拟结合在介观尺度范围内，模拟了经热处理的SLM Ti
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6Al
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4V的裂纹扩展行为，并实现了裂纹演化整个过程的分析计算，对于研究热处理
的SLM Ti
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6Al
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4V的裂纹扩展行为具有重要意义。
附图说明
[0031]图1为模拟经热处理的SLM Ti
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4V低周疲劳裂纹扩展的具体流程图；
[0032]图2为圆棒试样尺寸；
[0033]图3为含有缺口的介观模型；
[0034]图4为拟合地循环应力
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应变曲线；
[0035]图5为模拟的孔隙随机分布情况；
[0036]图6为模拟的弹性模量随机分布情况；
[0037]图7在孔隙随机分布情况下模拟的低周疲劳裂纹扩展路径结果；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种介观尺度裂纹扩展行为的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、利用选择性激光熔化技术制备试验用圆棒试样SLM Ti
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6Al
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4V，经800℃热处理，在应变控制下对热处理的圆棒试样SLM Ti
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6Al
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4V进行低周疲劳试验获取其力学性能，然后根据Ramberg
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Osgood方程和材料相关的力学参数得到循环应力
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应变曲线，损伤系数可由损伤演化方程式结合试验数据得到；步骤S2、获取圆棒试样SLM Ti
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4V材料的组织形貌信息，借助MATLAB软件根据Voronoi算法得到介观模型；步骤S3、将步骤S2得到的介观模型导入ABAQUS软件中，按照试样尺寸在ABAQUS中建立仿真模型，对仿真模型按裂纹的扩展区域进行划分，得到介观模型区和非介观模型区；步骤S4、对步骤S3中建立的仿真模型进行网格划分，为了确保模拟结果的精确性，在介观模型区和非介观模型区之间的过渡区采用过渡网格画法进行网格划分；步骤S5、材料属性赋予：将步骤S1中获取的圆棒试样SLM Ti
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4V材料力学性能参数和循环应力
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应变曲线输入到ABAQUS软件的材料属性中；步骤S6、分析步设置：采用静力通用分析步；步骤S7、在ABAQUS中利用Python脚本实现弹性模量和孔隙的随机分布；脚本一：弹性模量的随机分布，首先让弹性模量服从一个正态分布，再随机得从正态分布里面挑选若干个弹性模量，最后让挑选地若干个弹性模量随机赋予到模型的各个单元中；脚本二：孔隙的随机分布，首先在介观区随机得选取相应数量的单元，再将这些单元建立...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡贇，王有权，陈奥，严子力，刘永青，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：