多裂纹耦合扩展轨迹计算方法、设备及存储介质技术

本发明专利技术公开了一种多裂纹耦合扩展轨迹计算方法、设备及存储介质，该方法包括构建有限元模型，剖分出局部子模型，在局部子模型的焊缝插入初始疲劳裂纹，对局部子模型进行网格重划分；对裂纹尖端网格进行重调整；计算裂纹尖端节点的应力、位移和应变；根据应力、位移和应变，计算应力强度因子；根据应力强度因子确定中值节点，设定中值节点的裂纹扩展步长；根据疲劳裂纹扩展模型确定应力循环次数，根据中值节点的裂纹扩展步长确定其他节点的裂纹扩展步长；根据裂纹扩展步长扩展对应的节点，对扩展后的节点进行拟合，得到拟合曲线，以拟合曲线为疲劳裂纹继续扩展。本发明专利技术能够准确地计算出裂纹尖端节点的扩展增量，提高了轨迹拟合准确度。确度。确度。

【技术实现步骤摘要】
多裂纹耦合扩展轨迹计算方法、设备及存储介质


[0001]本专利技术属于钢桥疲劳裂纹分析
，尤其涉及一种钢桥顶板与纵肋焊缝处多裂纹耦合扩展轨迹计算方法、设备及存储介质。

技术介绍

[0002]正交异性钢桥面板具有自重轻、轻质高强、施工速度快、结构美观、易于维护等优点，从而在国内外大跨度桥梁体系中得到了广泛应用。正交异性钢桥面板在桥梁工程领域具有里程碑意义，但本身结构存在大量焊缝、应力集中程度显著，且长期直接承受车辆轮载的反复作用，顶板与纵肋焊接构造细节容易萌生疲劳裂纹并迅速扩展，导致国内外大量的钢桥面板在短服役期内出现大量疲劳裂纹，其中萌生于顶板与纵肋焊缝处的裂纹是最不易观测且最危险的。伴随着桥梁服役时间的增长，钢桥面板疲劳裂纹数量和尺寸大幅增加，密集裂纹之间相互作用会加快裂纹萌生与扩展。多个裂纹尖端接触后会发生融合现象，生成大尺寸裂纹。疲劳裂纹扩展是一个非常复杂的过程，以往的疲劳裂纹扩展模拟往往针对扩展路径，而对裂纹扩展轨迹研究很少，为揭示裂纹扩展过程的形态演化规律，利用理论模型对疲劳裂纹扩展轨迹进行研究。
[0003]基于断裂力学的疲劳分析结果由于较安全保守，在桥梁、船舶、航天等工程领域均应用广泛。在钢桥面板疲劳分析理论方面，基于线弹性断裂力学(LEFM)的裂纹扩展法，考虑了低幅应力、加载次序、初始裂纹、塑性变形等因素，克服了S
‑
N曲线(即应力
‑
寿命曲线，以材料标准试件疲劳强度为纵坐标，以疲劳寿命的对数值lgN为横坐标，表示一定循环特征下标准试件的疲劳强度与疲劳寿命之间关系的曲线)的多种缺点。通过有限元数值模拟方法，利用断裂力学进行裂纹扩展分析成为一项重要的研究手段，其能够高效精准计算应力强度因子。基于Paris公式的裂尖应力强度因子计算裂纹扩展速率，将Paris疲劳裂纹扩展模型与裂纹扩展增量法相结合来实现裂纹扩展，预测裂纹扩展生成轨迹，表征裂纹扩展层层传递和多裂纹融合现象，揭示单裂纹和多裂纹形状变化趋势。
[0004]但是，这些基于断裂力学准则计算的裂纹扩展模拟结果，由于应力强度因子计算方法导致不连续问题，并未采用多重曲线拟合裂纹前缘增量，往往呈现“锯齿状”特征，与均质材料中裂纹的实际光滑扩展轨迹不相符合，且无法对服役中老化钢桥面板多裂纹融合扩展演化进行预测，导致裂纹扩展轨迹描述的准确度低。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种多裂纹耦合扩展轨迹计算方法、设备及存储介质，以解决基于断裂力学准则计算的裂纹扩展模拟结果往往出现“锯齿状”特征，与均质材料中裂纹的实际光滑扩展轨迹不相符合问题，以及无法对服役中老化钢桥面板多裂纹融合扩展演化进行预测，导致裂纹扩展轨迹描述的准确度低。
[0006]本专利技术是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种钢桥顶板与纵肋焊缝处多裂纹耦合扩展轨迹计算方法，所述方法包括以下步骤：
[0007]步骤1：构建钢桥面板的有限元模型，对所述有限元模型进行网格划分，并施加荷载和边界条件；
[0008]步骤2：在所述有限元模型上剖分出包含焊缝的局部子模型，在所述局部子模型的焊缝处至少插入一条初始疲劳裂纹，再对所述局部子模型进行网格重划分，得到局部实体子模型；
[0009]步骤3：对于每条疲劳裂纹，对裂纹尖端网格进行重调整，以适应裂纹尖端处应力场和位移场的奇异性；
[0010]步骤4：计算所述裂纹尖端每个节点的应力、位移和应变；
[0011]步骤5：根据所述裂纹尖端每个节点的应力、位移和应变，计算对应节点的应力强度因子；
[0012]步骤6：根据所述裂纹尖端每个节点的应力强度因子确定中值节点，并设定所述中值节点的裂纹扩展步长；所述中值节点是指裂纹尖端所有节点中，应力强度因子为中位数的节点；
[0013]步骤7：选择疲劳裂纹扩展模型，根据所述疲劳裂纹扩展模型确定应力循环次数，进而根据所述中值节点的裂纹扩展步长确定裂纹尖端其他节点的裂纹扩展步长；其中，其他节点是指除中值节点外的所有节点；
[0014]步骤8：根据所述裂纹扩展步长扩展对应的节点，对扩展后的节点进行拟合，得到拟合曲线；
[0015]步骤9：判断裂纹扩展深度是否达到设定阈值，如果是，则达到裂纹的疲劳寿命，不再进行裂纹扩展；否则以所述拟合曲线为疲劳裂纹，转入步骤3。
[0016]进一步地，采用三层体网格表示所述裂纹尖端网格，其中裂纹尖端网格模板内环采用四分之一15节点奇异楔形单元来表示，其外两层采用四分之一20节点奇异楔形单元来表示。
[0017]进一步地，利用M
‑
积分法计算每个节点的应力强度因子，具体计算公式为：
[0018][0019][0020][0021]其中，M
(1,2)
为辅助场与实际场的相互作用积分；ν为泊松比；E为弹性模量；为实际场的张开型应力强度因子，为辅助场的张开型应力强度因子，为实际场的滑开型应力强度因子，为辅助场的滑开型应力强度因子，为实际场的撕开型应力强度因子，为辅助场的撕开型应力强度因子；分别为实际场的节点单元应力张量、辅助场的节点单元应力张量，下标i表示应力张量所在平面的外法线方向，下标j表示应力张量本身的作用方向；分别为实际场的节点单元应变张量、辅助场的节点单元应变张量，下标i表示线元方向，下标j表示线元偏转方向；A
q
为裂纹扩展的积分面积，q为定义在积分域上的权函数；x1表示节点在裂纹表面长轴方向的坐标长度，x
j
表示节点在正交坐标系
任意坐标轴j的坐标长度；Γ为围绕裂纹尖端的积分路径，ds为沿着积分路径Γ的微小增量；分别为实际场的节点位移矢量在正交坐标系任意坐标轴i的分量、辅助场的节点位移矢量在正交坐标系任意坐标轴i的分量；δ
1j
表示克罗内克函数；W
(1,2)
为相互作用应变能密度。
[0022]进一步地，所述中值节点的裂纹扩展步长为裂纹的最小特征尺寸的15％，其中所述最小特征尺寸是指裂纹各个方向的长度中的最小值。
[0023]进一步地，采用Paris疲劳裂纹扩展模型作为疲劳裂纹扩展模型，所述应力循环次数的确定公式为：
[0024][0025]其中，a为疲劳裂纹扩展长度；N为应力循环次数；C、n均为材料常数；ΔK为应力强度因子幅值，K
I
为张开型应力强度因子，K
II
为滑开型应力强度因子，K
III
为撕开型应力强度因子，ν为泊松比；
[0026]每个所述节点的裂纹扩展步长的计算公式为：
[0027][0028]其中，Δa
i
为第i个节点的裂纹扩展步长，i≠m；Δa
m
为中值节点m的裂纹扩展步长；N
i
为第i个节点的应力循环次数；N
m
为中值节点m的应力循环次数；ΔK
i
为第i个节点的应力强度因子幅值，ΔK
m
为中值节点m的应力强度因子幅值本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钢桥顶板与纵肋焊缝处多裂纹耦合扩展轨迹计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：构建钢桥面板的有限元模型，对所述有限元模型进行网格划分，并施加荷载和边界条件；步骤2：在所述有限元模型上剖分出包含焊缝的局部子模型，在所述局部子模型的焊缝处至少插入一条初始疲劳裂纹，再对所述局部子模型进行网格重划分，得到局部实体子模型；步骤3：对于每条疲劳裂纹，对裂纹尖端网格进行重调整，以适应裂纹尖端处应力场和位移场的奇异性；步骤4：计算所述裂纹尖端每个节点的应力、位移和应变；步骤5：根据所述裂纹尖端每个节点的应力、位移和应变，计算对应节点的应力强度因子；步骤6：根据所述裂纹尖端每个节点的应力强度因子确定中值节点，并设定所述中值节点的裂纹扩展步长；所述中值节点是指裂纹尖端所有节点中，应力强度因子为中位数的节点；步骤7：选择疲劳裂纹扩展模型，根据所述疲劳裂纹扩展模型确定应力循环次数，进而根据所述中值节点的裂纹扩展步长确定裂纹尖端其他节点的裂纹扩展步长；其中，其他节点是指除中值节点外的所有节点；步骤8：根据所述裂纹扩展步长扩展对应的节点，对扩展后的节点进行拟合，得到拟合曲线；步骤9：判断裂纹扩展深度是否达到设定阈值，如果是，则达到裂纹的疲劳寿命，不再进行裂纹扩展；否则以所述拟合曲线为疲劳裂纹，转入步骤3。2.根据权利要求1所述的钢桥顶板与纵肋焊缝处多裂纹耦合扩展轨迹计算方法，其特征在于，采用三层体网格表示所述裂纹尖端网格，其中裂纹尖端网格模板内环采用四分之一15节点奇异楔形单元来表示，其外两层采用四分之一20节点奇异楔形单元来表示。3.根据权利要求1所述的钢桥顶板与纵肋焊缝处多裂纹耦合扩展轨迹计算方法，其特征在于，利用M
‑
积分法计算每个节点的应力强度因子，具体计算公式为：积分法计算每个节点的应力强度因子，具体计算公式为：积分法计算每个节点的应力强度因子，具体计算公式为：其中，M
(1,2)
为辅助场与实际场的相互作用积分；ν为泊松比；E为弹性模量；为实际场的张开型应力强度因子，为辅助场的张开型应力强度因子，为实际场的滑开型应力强度因子，为辅助场的滑开型应力强度因子，为实际场的撕开型应力强度因子，为辅助场的撕开型应力强度因子；分别为实际场的节点单元应力张量、辅助场的节点单元应力张量，下标i表示应力张量所在平面的外法线方向，下标j表示应力张量
本身的作用方向；分别为实际场的节点单元应变张量、辅助场的节点单元应变张量，下标i表示线元方向，下标j表示线元偏转方向；A
q
为裂纹扩展的积分面积，q为定义在积分域上的权函数；x1表示节点在裂纹表面长轴方向的坐标长度，x
j
表示节点在正交坐标系任意坐标轴j的坐标长度；Γ为围绕裂纹尖端的积分路径，ds为沿着积分路径Γ的微小增量；分别为实际场的节点位移矢量在正交坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁乃唯，崔健，王鸿浩，罗媛，肖新辉，雷尧，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：