[发明专利]一种模拟高温合金线性摩擦焊接头裂纹相互影响的方法

说明书

本发明涉及一种模拟高温合金线性摩擦焊接头裂纹尖端应力强度因子影响方法，充分考虑线性摩擦焊接头裂纹位置、数量以及尺寸对裂纹尖端应力强度因子及其相互影响，能够较好的预测接头裂纹的扩展倾向和接头的最终断裂位置，为后续焊接接头的疲劳裂纹扩展提供思路和借鉴。本发明中从多个方面探讨了接头的裂纹相互作用规律，对于不同的裂纹长度、初始载荷、b/a、b/h、θ、ψ取值下，高温合金线性摩擦焊接头只有一个界面主裂纹时，可预测该位置处的主裂纹左侧尖端的扩展趋势要大于右侧；当接头有主裂纹和微裂纹，在单轴拉伸的受力状态下，接头主裂纹右侧尖端扩展倾向更大，是接头破坏的主要方向和位置。

技术领域

本发明属于焊接接头断裂力学领域，属于焊接接头断裂力学数值仿真方法，涉及航空航天用耐高温材料线性摩擦焊接接头主裂纹与微裂纹尖端应力强度因子及其相互影响规律，具体为一种模拟高温合金线性摩擦焊接头裂纹尖端应力强度因子及其相互影响的方法。

背景技术

线性摩擦焊接技术具有精密、高效、节能环保等优点，是航空、航天和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、高压压气机盘和燃烧室等高温部件不可替代的关键材料，尤其是在发动机整体叶盘制造与维修中得到了重要应用。高温合金线性摩擦焊接头承受极端恶劣的热、机械载荷和环境损伤，表现在高、低循环疲劳、蠕变、腐蚀、氧化及烧蚀等多种失效模式及其交互作用，而接头发生破坏的根本原因在于裂纹的萌生和扩展，研究高温合金线性摩擦焊接头裂纹尖端的应力强度因子及其相互影响规律就显得尤为重要，为后续探索焊接接头损伤及断裂行为提供一种新的思路和方法，是高温合金线性摩擦焊接整体叶盘技术瓶颈突破的重要内容之一。从国内外研究现状来分析，应力强度因子计算的数值模拟方法也日渐成熟，几何模型逐渐从二维过渡到三维，模拟计算的软件也多种多样，目前最常用的应力计算强度因子软件有ABAQUS，FRANC2D、FRANC3D等等，河海大学徐鹏程的基于近场动力学方法的含缺陷板I型应力强度因子计算(徐鹏程,徐业鹏,徐小辉.基于近场动力学方法的含缺陷板Ⅰ型应力强度因子计算[J].粉煤灰综合利用,2020,34(01):1-6)一文，结合J积分计算含缺陷板I型应力强度因子。通过含I型单裂纹脆性板以及系列含等长双裂纹板的应力强度因子计算，验证该方法的可行性和计算精度。进一步应用于含不等长双裂纹、含孔及孔边裂纹脆性板的应力强度因子计算，验证了该方法对于计算含复杂缺陷板I型应力强度因子的适用性，分析了裂纹位置和长度及孔径等多缺陷板裂尖应力强度因子的影响，文中重点研究的是脆性材料，但文中重点研究的为该脆性材料，并未涉及焊接接头的裂纹相互影响形式。清华大学王恒的微裂纹群与主裂纹相互作用的扩展有限元分析(王恒,柳占立,许丹丹,曾庆磊,庄茁.微裂纹群与主裂纹相互作用的扩展有限元分析[C].北京力学会、北京振动工程学会.北京力学会第21届学术年会暨北京振动工程学会第22届学术年会论文集.北京力学会、北京振动工程学会:北京力学会,2015:736-741.)一文，利用扩展有限元方法研究了主裂纹与微裂纹之间相互增强与屏蔽的作用机理，系统研究了不同数量、排列、密度条件下的微裂纹群对主裂纹的诱导作用，但文中所涉及的裂纹参数较少，且并未涉及焊接接头的裂纹相互作用影响研究。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为研究高温合金线性摩擦焊接头裂纹相互影响规律，实现接头残余应力及裂纹尖端应力场表征的研究“0”突破，本发明提供一种高温合金线性摩擦焊接接头残余应力的表征方法，从多个角度分析主、微裂纹相互作用规律的影响因素，揭示接头裂纹尖端应力强度因子的规律，预测裂纹扩展的方式和倾向，具有重要的研究意义和价值。

本发明的技术方案是：一种模拟高温合金线性摩擦焊接头裂纹尖端应力强度因子的相互影响的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在热-力耦合软件ABAQUS中建立高温合金线性摩擦焊接有限元模型，

步骤二：建立焊接接头几何模型，设置接头残余应力，其中设置接头残余应力是指步骤一获得的各个子区域的应力数值赋予此步骤中接头几何模型相对应的子区域，所涉及的应力赋值参数有：S11、S22、S33以及S12其中S11为X轴方向应力，S22为Y轴方向正应力，S33为Z轴方向正应力，S12为YZ平面上，沿Y向的剪力；