CN109033576A - 一种颗粒复合材料裂纹疲劳扩展分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种颗粒复合材料裂纹疲劳扩展分析方法，首先根据初始的几何条件，利用等效夹杂法求得不含裂纹仅含颗粒时结构的应力场分布，然后采用连续分布的位错来模拟基体中任意数量的折线裂纹，根据裂纹的线上的应力平衡条件建立奇异积分方程，求解这些奇异积分方程，即可求得每条裂纹的应力强度因子。当裂纹扩展一步后，在原有的折线裂纹基础上增加一个裂纹分支即可得到新的折线裂纹，记录新的裂尖位置，然后建立新的奇异积分方程进行求解，即可得到新的裂纹的应力强度因子。这样裂纹多次操作后，即实现了颗粒复合材料的裂纹的全自动扩展分析。本发明进行多颗粒和多裂纹的裂纹扩展分析时，建模非常快，计算速度也快。
Description
技术领域
本发明属于颗粒增强金属基复合材料技术领域，涉及一种颗粒复合材料裂纹疲劳扩展分析方法，具体地说，涉及一种基于等效夹杂法和分布位错法的颗粒复合材料裂纹疲劳扩展分析方法。
背景技术
颗粒增强金属基复合材料是将高性能的颗粒(夹杂)按照一定的分布形式嵌入到金属基体中。由于颗粒材料的嵌入，颗粒增强金属基复合材料通常具有比基体材料更高的强度、刚度、抗冲击、耐高温以及抗磨损能力，因此已经逐步取代传统的木材和金属合金，广泛的应用于航空航天、汽车、建筑等领域。
但是，随着增强颗粒的加入，同时也带来了不利的影响。颗粒增强金属基复合材料在加工和制造过程或在服役过程中，其基体内及其容易产生裂纹，在外部荷载或温度作用下，这些裂纹将会不断扩展，最终导致结构的破坏。另一方面，颗粒材料的嵌入也会导致材料延展性和断裂韧性大大降低。因此，运用断裂力学理论研究颗粒增强金属基复合材料的疲劳裂纹扩展行为和预测其疲劳裂纹扩展寿命对防止颗粒增强金属基复合材料结构失效的发生、延长其服役寿命和减少经济损失具有十分重要的工程意义。
现阶段市场上尚无专门针对颗粒复合材料的裂纹扩展分析系统，目前科研和设计人员主要通过有限元商业软件进行颗粒复合材料的裂纹扩展分析。
现有技术的缺点：
1、采用通用商业有限元计算软件进行疲劳裂纹扩展分析，需要人工进行编程，不能靠软件本身实现裂纹自动化扩展。
2、市场上有专门的裂纹扩展分析软件，以有限元方法计算为主，不能将二维问题简化为一维问题，计算效率不高。
3、当颗粒和裂纹数量较大时，有限元建模困难，计算速度慢。
4.有限元实现裂纹扩展最大的缺点是当裂纹每扩展一步后，需要重新进行模型建立以及对模型进行网格划分，大大降低了计算效率，增加计算工作量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种颗粒复合材料裂纹疲劳扩展分析方法，该技术方案解决以下技术问题：
1、本裂纹扩展系统专门针对颗粒复合材料而设计
2、本分析系统采用无网格的计算方式，能够将二维问题简化为1维问题，计算效率大大提高。
3、本系统在进行裂纹扩展分析时，不需要对裂纹附近区域进行网格细化，不需要进行网格重新划分，大大减少计算量。
4、本系统采用的分析方法在处理多颗粒和多裂纹问题时，建模简单，方便操作。
其具体技术方案为：
一种颗粒复合材料裂纹疲劳扩展分析方法，首先根据初始的几何条件，利用等效夹杂法求得不含裂纹仅含颗粒时结构的应力场分布，然后采用连续分布的位错来模拟基体中任意数量的折线裂纹，根据裂纹的线上的应力平衡条件建立奇异积分方程，求解这些奇异积分方程，即可求得每条裂纹的应力强度因子。当裂纹扩展一步后，在原有的折线裂纹基础上增加一个裂纹分支即可得到新的折线裂纹，记录新的裂尖位置，然后建立新的奇异积分方程进行求解，即可得到新的裂纹的应力强度因子。这样裂纹多次操作后，即实现了颗粒复合材料的裂纹的全自动扩展分析。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、计算效率比有限元高。
2、可以实现裂纹的全自动扩展。
3、进行多颗粒和多裂纹的裂纹扩展分析时，建模非常快，计算速度也快。
附图说明
图1为颗粒复合材料裂纹疲劳扩展分析方法流程示意图；
图2为分析算例；
图3为裂纹扩展路径。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
如图1所示：
1.开始运行。
2.根据实际结构建立分析模型，仅需要创建不含裂纹，仅含多颗粒的几何模型，和荷载及约束情况。
3.引入裂纹。仅通过界面输入裂纹的数量、位置、长度和角度等相关信息。不需要进行裂纹的网格划分。
4.进行计算。采用本分析系统的核心计算程序计算各个裂尖的应力强度因子。
5.裂纹扩展预测。根据裂尖的应力强度因子，结合Paris’公式，进行裂纹扩展分析。
6.更新裂尖位置
7.根据用户输入的判断条件判断是否结束，是否执行新一轮计算。
实施例
如图2所示，利用本系统对以下算例颗粒复合材料进行疲劳裂纹扩展分析。
1.输入几何模型信息：
2.输入荷载信息；
3.输入疲劳裂纹扩展信息；
4.点击计算后，即可得到运行结果；
5.后处理后即可得到裂纹扩展路径，如图3所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种颗粒复合材料裂纹疲劳扩展分析系统，其特征在于，首先根据初始的几何条件，利用等效夹杂法求得不含裂纹仅含颗粒时结构的应力场分布，然后采用连续分布的位错来模拟基体中任意数量的折线裂纹，根据裂纹的线上的应力平衡条件建立奇异积分方程，求解这些奇异积分方程，即求得每条裂纹的应力强度因子；当裂纹扩展一步后，在原有的折线裂纹基础上增加一个裂纹分支即可得到新的折线裂纹，记录新的裂尖位置，然后建立新的奇异积分方程进行求解，即可得到新的裂纹的应力强度因子；这样裂纹多次操作后，即实现了颗粒复合材料的裂纹的全自动扩展分析。
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