[发明专利]一种三维线性摩擦焊接头CT试样疲劳裂纹扩展模拟方法

说明书

本发明一种三维线性摩擦焊接头CT试样疲劳裂纹扩展模拟方法，属于固相焊接与断裂力学领域；建立三维线性摩擦焊模型；首先，有限元模拟软件ABAQUS中建立三维线性摩擦焊模型后在job模块提交作业模拟焊接，得到线性摩擦焊接头；然后，选取微区紧凑拉伸试样区域，并绘制应力云图草图；最后，建立线性摩擦焊接头微区裂纹扩展紧凑拉伸试样模型，将所述步骤二获得的三个方向的iges文件分别导入三个紧凑拉伸试样模型的草图模块中；得到三个方向裂纹扩展结果，从而预估三维线性摩擦焊接头裂纹扩展趋势。该模拟方法为焊接接头的断裂行为的研究提供了一种新思路，且可以减少大量的预处理和计算时间。

技术领域

本发明属于固相焊接与断裂力学领域，具体涉及一种三维线性摩擦焊接头CT试样疲劳裂纹扩展模拟方法。应用二维力学模型分析三维裂纹行为的方法，涉及三维线性摩擦焊接头的宏观变形行为、温度场和应力场演变，以及其微区裂纹扩展行为的研究。

背景技术

线性摩擦焊是一种固相连接技术，目前主要应用于航空航天领域，作为航空发动机整体叶盘的成型技术。此种技术依靠两个焊件作相对往复振动产生的摩擦热，软化接触面金属，使材料发生塑性流动，从而在固态下形成稳定的连接关系。线性摩擦焊具有焊前、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。疲劳性能一直是航空航天领域最为重视的材料性能之一，它直接决定发动机的稳定性和使用寿命。在循环加载条件下，超过一定循环次数，焊接接头中常会出现疲劳裂纹，随着循环次数的增加，裂纹会进一步扩展直至接头完全断裂，从而导致结构部件的永久失效，可能会对人们的财产乃至生命带来不可不估量的损失。因此许多从事于材料力学方面研究的学者把工作的重点放在材料的疲劳性能和疲劳断裂行为上面。目前，对于裂纹行为模拟方面的开发仍然存在很大的挑战，取得结构的局部残余应力，并导入所建立的局部力学模型中便是难点之一。陈龙([1]陈龙.基于残余应力分析的TC4钛合金焊接接头表面强化工艺研究[D].郑州航空工业管理学院,2020.)对TC4激光焊接头残余应力对疲劳裂纹的影响进行了研究，并采用有限元技术模拟喷丸技术对残余应力的影响，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，模拟喷丸处理对残余应力的影响，作者采用的方法仅适用于连续两个分析步选用的模型建立完全一致的模型，从而达到不变模型的顺序模拟的目的，并不能适用于模型发生改变的情况。本发明涉及的紧凑拉伸试样常用于裂纹扩展规律的研究以及材料断裂韧性的分析，在对此模型分析时，需要在接头中取出模型，因此需要一种新的引入残余应力的方式来分析应力对紧凑拉伸试样模型中裂纹扩展规律的影响规律。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种三维线性摩擦焊接头CT试样疲劳裂纹扩展模拟方法，采用二维微区紧凑拉伸模型对三维线性摩擦焊接头的裂纹扩展行为进行研究，对线性摩擦焊接头某一微区的三个截面进行裂纹扩展分析，进而达到从三个方向预测裂纹走向的目的，且采用二维力学模型进行分析大大缩短了计算时间，为线性摩擦焊接头裂纹扩展行为的研究起到一定的推进作用。

本发明的技术方案是：一种三维线性摩擦焊接头CT试样疲劳裂纹扩展模拟方法，其特征在于具体步骤如下，且以下步骤均在有限元模拟软件ABAQUS中操作：

步骤一：建立三维线性摩擦焊模型；

首先，在有限元模拟软件ABAQUS中建立三维线性摩擦焊模型，所述模型包括可变形体焊件和刚体焊件，所述可变形体焊件为长方体结构，刚体焊件为二维矩形结构；

然后，将可变形体焊件赋予材料属性，再和刚体焊件叠加放置，使可变形体和刚体焊件相互接触；之后，依次在有限元模拟软件ABAQUS中创建分析步、设置接触属性、设置焊接参数、设置网格参数并划分网格；

最后，在job模块提交作业模拟焊接，得到线性摩擦焊接头；

步骤二：选取微区紧凑拉伸试样区域，并绘制应力云图草图；