[发明专利]基于扩展有限元的圆钢管相贯节点高周疲劳数值模拟方法

权利要求书

1.一种基于扩展有限元的圆钢管相贯节点高周疲劳数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据相贯节点试件所用材料的力学性能和规格尺寸，在软件平台中建立含初始裂纹的圆钢管相贯节点数值模型；

步骤2、利用扩展有限元法和水平集函数，定义裂纹区域，以求取裂纹前沿应力强度因子，应力强度因子计算方法为：

式中，K_I，K_II，K_III分别为Ⅰ型裂纹、Ⅱ型裂纹和Ⅲ型裂纹所对应的应力强度因子；J^I_int，J^II_int，J^III_int分别为Ⅰ型裂纹、Ⅱ型裂纹和Ⅲ型裂纹所对应的相互作用J积分；B为对数能量系统矩阵；

步骤3、施加荷载和边界条件；

步骤4、建立相贯节点高周疲劳裂纹扩展程序，具体包括：疲劳裂纹扩展准则的建立、疲劳裂纹扩展方向的确定、应力强度因子和裂纹前沿坐标提取方法、下一个增量步裂纹扩展增量的计算方法、下一个增量步裂纹前沿坐标的计算方法、下一个增量步裂纹模型的更新方法；

步骤5、将高周疲劳裂纹扩展程序植入软件平台进行运算；对模拟数据进行处理，得到相贯节点疲劳裂纹的扩展速率曲线，并将结果与试验对比，验证模拟结果的有效性。

2.根据权利要求1所述的基于扩展有限元的圆钢管相贯节点高周疲劳数值模拟方法，其特征在于，步骤1中，基于坐标映射法在软件平台中建立含初始裂纹的圆钢管相贯节点数值模型。

3.根据权利要求1所述的基于扩展有限元的圆钢管相贯节点高周疲劳数值模拟方法，其特征在于，步骤2中，通过水平集函数，将含有裂纹的网格单元分为三种类型，分别为裂纹未穿过单元、裂纹完全穿透单元和裂纹未完全穿透单元；对第一种单元，采用与有限单元法相同的位移场计算方法，而对后两种单元需对位移场进行修正，具体表达式为：

式中，为裂纹未穿过单元的位移场；为裂纹完全穿过单元的位移场，其中a_i为节点自由度，H(x)为水平集函数，其计算公式为x为一个积分点，x*为裂纹面上距积分点最近的一点，n为x*在裂纹面上的法向向量；为裂纹未完全穿透单元的位移场，b_i为节点自由度，F(x)为极坐标系下裂纹未完全穿透单元扩充函数；

根据网格单元位移场，可得到各网格单元积分点处的应力以及总体网格各节点处的应力，通过应力场得到裂纹的相互作用J积分，进而可得到裂纹的应力强度因子。

4.根据权利要求1所述的基于扩展有限元的圆钢管相贯节点高周疲劳数值模拟方法，其特征在于，步骤2中，由于圆钢管相贯节点的疲劳裂纹为Ⅰ型裂纹、Ⅱ型裂纹和Ⅲ型裂纹构成的混合裂纹，故需根据Ⅰ型裂纹所对应的应力强度因子、Ⅱ型裂纹所对应的应力强度因子和Ⅲ型裂纹所对应的应力强度因子计算出等效应力强度因子，计算公式为：

式中B为经验参数，取1.0；ΔK_I，ΔK_II，ΔK_III，ΔK_eq分别为Ⅰ型裂纹、II型裂纹和III型裂纹所对应的应力强度因子增量和等效应力强度因子增量；应力强度因子增量的计算方法为：

△K＝K_max-K_min

式中K_max为常幅荷载作用下荷载最大值所得到的应力强度因子，K_min为常幅荷载作用下荷载最小值所得到的应力强度因子。

5.根据权利要求4所述的基于扩展有限元的圆钢管相贯节点高周疲劳数值模拟方法，其特征在于，步骤4中，疲劳裂纹扩展准则采用Paris准则，准则表达式为：

式中，a为裂纹长度，N为疲劳荷载循环次数，C和m为材料参数；其中C取2.66704×10^-11m/圈，m取2.75。