基于ABAQUS的疲劳裂纹扩展程序二次开发及应用

基于ABAQUS有限元软件平台,应用它的脚本接口二次开发出一套可以用于自动计算疲劳裂纹扩展的程序包。该程序包可以实现参数化有限元建模、访问输出数据库及进行其他后处理,从而避免重复建模及分析结果,显著提高分析效率。最后,运用该程序包模拟了飞机中常用的整体壁板疲劳裂纹扩展轨迹并分析了筋条刚度对裂纹扩展速率的影响。     

飞机整体翼梁结构断裂特性分析研究

研究飞机整体翼梁结构的损伤容限特性,采用ANSYS有限元分析软件,计算不同结构参数下应力强度因子,并根据最大拉应力理论确定裂纹扩展轨迹.分别讨论裂纹按照直线轨迹扩展和按照最大拉应力理论确定的轨迹扩展对应力强度因子的影响,并进行了分析比较.研究了整体翼梁结构腹板厚度及止裂筋条结构参数变化对应力强度因子及裂纹扩展轨迹的影响.     

基于四面体单元的三维裂纹自动化建模

三维裂纹前缘布置结构化网格是一项耗时且困难的工作。以二次四面体单元虚拟裂纹闭合法（VC‐CM）为基础,提出基于几何特征的三维裂纹建模方法,阐述应用四面体单元在ABAQUS上进行三维裂纹建模的实现细节;应用Python编程语言结合NumPy和SciPy开源科学计算库开发参数化三维裂纹分析程序包,实现三维裂纹问题分析的全流...     

基于有限元的双轴载荷状态下自动裂纹扩展分析

利用Python脚本语言对Abaqus进行了二次开发,预测双轴载荷状态下裂纹扩展轨迹。对双轴载荷下中心带孔板的裂纹扩展进行了模拟,并与FRANC2D得到的计算结果进行比较。结果表明利用二次开发程序计算得到的裂纹扩展轨迹及其断裂参数与FRANC2D得到的结果基本一致,计算结果是可靠的;利用二次开发程序对双轴载荷状态下的进行裂纹扩展分析能够有效减少计算时间,提高计算效率。     

三维非平面裂纹扩展参数化模拟方法

发展一种基于有限元方法（FEM）的自动模拟三维非平面裂纹扩展的模拟方法。该方法采用参数化建模的方式建立裂纹体,以镶嵌裂纹体的方式在结构中插入裂纹,然后通过有限元计算得到裂纹扩展参量,自动更新裂纹体从而模拟裂纹的扩展过程。通过模拟三个裂纹扩展算例,计算了裂纹扩展循环数,对比试验结果,误差分别为195%、161%、21%。结果表明:该方法能够模拟三维非平面裂纹的扩展并计算扩展寿命,具有一定的精度和适用性。      

考虑裂纹形状变化的TC4钛合金振动疲劳裂纹扩展寿命预测

对TC4板材试件进行振动疲劳裂纹扩展试验,测得裂纹扩展寿命与裂纹长度之间的关系.使用超景深显微镜对裂纹形状进行观测和分析,拟合裂纹形状参数.将拟合表达式应用于应力强度因子幅值的计算中,并对裂纹扩展寿命进行预测.结果显示:裂纹形状参数对预测结果影响较大.当该参数取定值时,预测结果与试验结果误差较大.而所拟合的拟合表达式可以简单、准确地预测裂纹扩展寿命.      

涡轮盘销钉孔损伤容限分析新方法及其应用

本文提出温度及离心载荷作用下三维构件损伤容限分析方法。该方法采用新型双重边界元法分析温度及离心力载荷作用下的涡轮盘三维裂纹应力强度因子 (SIF) ,并结合 Paris公式及 Euler法获得涡轮盘销钉孔边裂纹扩展形状及裂纹扩展寿命 ,进而采用二次估计方法获得涡轮盘裂纹扩展寿命修正值。利用新型双重边界元法分析了销钉载荷、温度场、裂纹形状对轮盘孔边三维裂纹应力强度因子的影响 ,并对以往涡轮盘销钉孔边裂纹扩展寿命分析工程方法的近似性进行了讨论。文中算例表明采用本文方法分析复杂载荷三维裂纹扩展寿命具有效率高、建模方便的优点。     

变幅载荷对高温合金裂纹萌生及扩展寿命的影响

为了更好地分析航空发动机用高温合金裂纹萌生阶段的变幅载荷对高温材料的低周疲劳裂纹萌生及扩展寿命的影响,将低周疲劳的裂纹萌生过程视作损伤累积过程,基于连续损伤力学建立了低周疲劳损伤累积模型.结合室温下GQGH4169合金的裂纹扩展试验数据,通过有限元建模计算和数值分析方法确定了模型中具体的损伤参数数值,并对裂纹萌生寿命进行了预测.结果表明:该方法不但能准确地预测变幅加载下CT试样的裂纹萌生寿命,而且能很好地反映萌生阶段变幅载荷对裂纹扩展寿命的影响,而且降低了试验成本.     

腐蚀条件下铝合金疲劳裂纹扩展试验及模型

进行2024-T3铝合金标准中心裂纹拉伸试件4种典型环境下的裂纹扩展试验,以试验数据为基础,通过对一般环境下的裂纹扩展模型进行修正,建立腐蚀环境下的裂纹扩展模型.对试验结果的分析处理表明,该模型能够很好描述各种典型腐蚀环境下裂纹稳定扩展阶段的裂纹扩展速率,能够较准确估算裂纹扩展寿命,腐蚀修正系数清楚地反映腐蚀影响的程度.通过对单一介质环境腐蚀修正系数的加权组合,模型可以推广应用于复杂环境下裂纹扩展分析.该模型便于充分利用现有材料裂纹扩展性能的数据.     

考虑小裂纹特性的裂纹扩展数值分析方法及实验验证

为了对工程断裂关键件进行全面的损伤容限分析,需要发展一种能够考虑小裂纹阶段的疲劳裂纹扩展数值分析方法。在Paris公式的基础上基于镍基粉末高温合金小裂纹扩展行为特点,提出了一种小裂纹加长裂纹阶段的裂纹扩展物理力学过程描述,并以此建立了裂纹扩展速率模型。同时考虑到工程应用,将该模型通过FRANC3D软件的用户子程序,与有限元方法结合,构建了一种可分析实际工程结构例如航空发动机涡轮盘上疲劳裂纹扩展的数值分析方法。针对带初始缺陷的FGH96合金标准试棒进行了裂纹扩展数值分析,并与开展的裂纹扩展寿命实验进行了对比。数值计算结果与实验结果吻合较好,表明该方法能够充分考虑小裂纹阶段的裂纹扩展行为特点,适用于分析工程结构疲劳裂纹扩展的全过程。     

带锪窝紧固件孔边三维多裂纹扩展的计算分析

多孔元件是飞机结构中常见的结构细节,起始于多个紧固件孔边的多条三维裂纹的疲劳扩展预测是结构多部位损伤寿命评定的重点问题和技术难点。建立一种高效实用的三维多裂纹扩展数值分析方法,能够对萌生于带锪窝孔边的多条三维裂纹实施疲劳裂纹扩展中的有限元快速建模和自动网格更新,进行三维多裂纹扩展全程自动数值模拟,并利用净截面屈服作为判定最终失效的准则。通过单锪窝孔双边非对称裂纹两种开裂模式情况下的算例计算分析,并与试验实测结果对比,验证了本文扩展分析方法的有效性。     

基于CTOAc评估结构断裂特性的方法研究

介绍了一种基于临界裂纹尖端张开角(CTOAc)评估破损结构延性断裂特性的方法。引入了评估裂纹稳态扩展和止裂的CTOA准则,介绍了CTOAc的试验测定方法,重点推荐准静态的方法。通过对两类典型M(T)试件进行有限元分析,应用应力失效准则及节点力释放技术模拟了结构的裂纹扩展过程,得到了对应裂纹长度的CTOA值。结果表明,CTOA是模拟延性断裂的一个重要表征参数,CTOA准则在高韧性的航空铝合金结构中具有广泛的适用性和广阔的应用前景。     

整体加筋壁板的破损安全特性与断裂控制分析

用有限元和断裂力学方法分析大型整体机翼下壁板的破损安全特性。对一个九桁条铝合金整体加筋板,裂纹从断裂筋条下向两侧均匀扩展的开裂形式,进行了应力强度因子和剩余强度计算,并和另一个具有相同构形的铆接加筋板的结果进行对比。当裂纹长度在两倍桁条间距以内时两种加筋板的剩余强度水平相当。但是当整体壁板中的裂纹穿过外侧相邻桁条时,整体桁条的止裂能力逐渐减弱。研究对整体壁板蒙皮胶接止裂条的断裂控制措施及有限元建模分析方法,描述止裂条胶层局部脱粘的处理方法和迭代过程。止裂条材料分别选用了钛合金和单向层压复合材料。计算结果说明胶接止裂措施能显著提高整体加筋板的破损安全性能。     

喷丸强化7475-T7351铝合金的小裂纹行为和寿命预测

对7475-T7351铝合金进行了喷丸强化和未喷丸(机械加工后抛光)单边缺口拉伸(SENT)试样的小裂纹扩展行为试验研究,利用权函数法(WFM)和叠加原理分析计算了三维表面小裂纹在外加载荷和残余应力场联合作用下的应力强度因子(SIF),并将其加入到基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析程序FASTRAN3.9中,采用该程序预测了均布外载荷σmax=160MPa、R=0.06下,喷丸强化和未喷丸SENT试样自然萌生裂纹扩展的a-N曲线。研究发现喷丸强化残余压应力对疲劳小裂纹扩展速率的降低是疲劳寿命延长最主要的原因,采用基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析方法能够较好地定量描述喷丸强化的疲劳延寿作用。     

TC4-DT焊接接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展实验及模拟研究

拉剪复合载荷作用下,构件中的裂纹呈现复杂的Ⅰ-Ⅱ复合型扩展模式,研究其扩展规律对准确评估构件疲劳寿命具有重要意义。针对TC4-DT钛合金电子束焊接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展规律开展研究,设计并加工紧凑拉伸剪切(CTS)试样,通过开展不同加载角度下接头试样的疲劳裂纹扩展实验,得到接头Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的a-N曲线及疲劳裂纹扩展路径。在上述基础上引入Ⅰ-Ⅱ复合型等效应力强度因子并结合Paris公式建立TC4-DT电子束焊接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展速率方程。采用扩展有限元法(XFEM)对复合型疲劳裂纹扩展过程进行数值模拟研究,得到不同加载角度下的扩展规律,并与实验结果进行比较。结果表明:不同加载角度下Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹开裂角模拟值与实验结果误差均在10%以内,并且扩展路径均与实验结果吻合;XFEM能够有效预测复合型疲劳裂纹扩展路径。     

粉末冶金盘损伤容限的边界元分析

采用边界元法建立了裂纹扩展分析模型,对FGH95粉末高温合金标准紧凑拉伸(CT)试样的裂纹扩展试验结果进行了数值模拟,计算结果与试验吻合很好,表明分析方法的准确性及可行性.在对粉末高温合金缺陷数据分析的基础上,建立了粉末盘损伤容限边界元分析模型,对其裂纹扩展寿命进行了评估.研究表明:边界元法在损伤容限分析中的实现便捷可行,可应用于复杂构件裂纹扩展特性的工程分析,与传统预测方法相比,能够给出更为合理的寿命结果.      

三维钝裂纹的边界元模拟和剩余腐蚀疲劳寿命估算方法

提出了一个三维钝裂纹的计算模型,并建立了适用于这类模型的边界元法程序。还利用现有的疲劳裂纹扩展模型,对含三维钝裂纹构件的剩余疲劳寿命估算方法进行了讨论,并对三维钝裂纹在空气和海水中的扩展进行了计算。研究表明,本方法和边界元程序,既适用于三维尖裂纹的剩余寿命估算,也适用于三维钝裂纹的剩余疲劳寿命估算。     

Evaluation of mixed mode-I/II criteria for fatigue crack propagation using experiments and modeling

In this study, in-plane mixed mode-I/II fatigue crack growth simulations and experiments are performed for the Al 7075-T651 aluminum alloy which is widely used in the aerospace industry. Tests are carried out under different mode mixity ratios to evaluate the applicability of a fracture criterion developed in a previous study to mixed mode-I/II fatigue crack growth tests. Results obtained from the analyses and experiments are compared with existing and developed criteria in terms of crack growth lives. Compact Tension Shear (CTS) specimens, which enable mixed mode loading with loading devices under different loading angles, are used in the simulations and experiments. In an effort to model and simulate the actual conditions in the experiments, crack surfaces of fractured specimens are scanned, crack paths are modeled exactly, and contacts are defined between the contact surfaces of a specimen and the loading device for each crack propagation step in the analyses. Having computed the mixed mode stress intensity factors from the numerical analyses, propagation life cycles are predicted by existing and the developed mixed mode-I/II criteria and then compared with experimental results.