[发明专利]一种线性摩擦焊与其接头CT试样裂纹行为顺序模拟方法

说明书

本发明涉及一种线性摩擦焊与其接头CT试样裂纹行为顺序模拟方法，将线性摩擦焊工艺的模拟和CT试样模型疲劳裂纹的模拟按照先后顺序结合，通过对CT试样进行分区处理和分区赋予残余应力的方法，克服了目前存在的由于CT试样从焊接接头中取出而无法引入焊后残余应力的问题，对线性摩擦焊接头疲劳裂纹扩展进行模拟并计算了裂纹尖端应力强度因子，为预测线性摩擦焊接头裂纹疲劳行为的研究起到一定的推进作用。

技术领域

本发明属于固相焊接与断裂力学领域，特别涉及一种线性摩擦焊接头残余应力及其CT试样裂纹尖端应力场与疲劳扩展顺序模拟的方法。

背景技术

线性摩擦焊是一种固相连接技术，具体为两个焊件作相对往复高频振动，依靠接触面摩擦力转换成的热量，软化接触面金属，从而在顶锻力作用下完成固态连接的技术。高温合金作为航空发动机涡轮、叶盘及燃烧室等部件的重要材料，具有优越的持久性和疲劳性能。线性摩擦焊是高温合金整体叶盘成形的重要技术，具有焊前、焊后辅助清理工作较少，接头质量优于传统熔焊，且材料利用率高等优点。然而，航空发动机零部件疲劳性能的优劣直接决定发动机的稳定性和使用寿命，疲劳断裂是焊接接头的常见失效形式之一，此行为是接头在循环加载条件下，局部产生永久性损伤的行为，在一定循环次数后形成裂纹，随着循环次数的增加，裂纹进一步扩展直至接头完全断裂，因此，对于裂纹的扩展这一断裂力学行为的研究一直受到众多工业领域和广大科研工作者的重视。目前，对于裂纹行为的试验研究已经与多种环境条件结合，但是模拟方面的开发却仍然困难重重。罗家元等人([1]罗家元,贾二锁.淬火残余应力对铝合金厚板裂纹应力强度因子及扩展趋势的影响[J].金属热处理,2020,45(05):210-214.)对淬火残余应力下的板状铝合金的裂纹行为进行了研究，其通过顺序热力耦合法求解淬火残余应力场，将应力场作为初始载荷条件求解裂纹应力强度因子和模拟裂纹扩展趋势，准确地模拟出淬火残余应力对应力强度因子和裂纹扩展的影响，该方法适用于裂纹扩展模型与获取应力模型完全一致的情况，但未能从初始模型中选取一部分来进行局部分析。

发明内容

本发明解决的技术问题是：线性摩擦焊接头整体的应力分布无法应用于局部CT试样的裂纹分析过程的问题CT试样模型常用于裂纹的应力强度因子及疲劳寿命的计算和裂纹扩展规律的研究，本发明将线性摩擦焊工艺的模拟和CT试样模型疲劳裂纹的模拟按照先后顺序结合，通过对CT试样进行分区处理和分区赋予残余应力的方法，对线性摩擦焊接头疲劳裂纹扩展进行模拟并计算了裂纹尖端应力强度因子，为预测线性摩擦焊接头裂纹疲劳行为的研究起到一定的推进作用。

本发明的技术方案是：一种线性摩擦焊与其接头CT试样裂纹行为顺序模拟方法，包括以下步骤：

步骤1：根据国标GB/T21143-2007国标的要求，确定CT试样的尺寸；并根据CT试样的尺寸确定线性摩擦焊焊件的尺寸；

步骤2：建立高温合金线性摩擦焊模型，包括以下步骤：

步骤2.1：考虑线性摩擦焊工艺对称的特性，将其中一个焊件用刚体代替；有限元模拟软件ABAQUS中建立高温合金线性摩擦焊几何模型，该模型为2D模型，在模型中建立可变形体模型和一个刚体模型；并将可变形体进行分区处理，分为接触面近邻的大变形区，中间区以及末端夹具夹持区域；

步骤2.2：设置线性摩擦焊焊件的材料属性参数，包括弹性属性和塑性属性；

步骤2.3：建立两个分析步：温度-位移耦合的动态显示分析步，用于模拟焊接过程；温度-位移耦合的动态显示分析步，用于模拟焊后冷却过程；

步骤2.4：建立刚体焊件和可变形体焊件之间的接触关系，包括法向行为和切向行为，其中切向行为设置滑动摩擦系数，法向行为设置为硬接触，将接触关系赋予焊件的接触面；设置焊件模型中与夹具夹持的范围，第一个分析步中，焊件按照与夹具接触和与空气接触，分区设置焊件与环境的热量交换系数，第二个分析步中，焊件已经取出，模型的散热系数均为与空气接触时的数值；

步骤2.5：设置焊接工艺参数：