CN112182927A - 一种模拟高温合金线性摩擦焊接头裂纹相互影响的方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种模拟高温合金线性摩擦焊接头裂纹相互影响的方法

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；

步骤三：确定裂纹位置、数量及尺寸：选定裂纹数量和类型为界面主裂纹(单个裂纹)、界面主裂纹与微裂纹(两条裂纹)；

步骤四：建立高温合金线性摩擦焊接接头裂纹尖端应力强度因子及相互影响几何模型，包括以下子步骤：

子步骤一：对接头的几何模型进行裂纹区域划分，根据步骤三，划分为两大类：第一类为界面主裂纹(单个裂纹)几何模型；第二类为界面主裂纹与微裂纹(两条裂纹)几何模型；

子步骤二：设置接头材料属性；包括设置弹性模量，泊松比，建立与材料关联的均匀固体域，并将此域特性赋给整个模型，此处模型包含界面主裂纹(单个裂纹)几何模型及界面主裂纹与微裂纹(两条裂纹)几何模型；

子步骤三：装配接头各个子区域是指在ABAQUS的装配模块将各个子区域组装成为一个整体；

子步骤四：创建一名为Step-1的静力分析步，对每一个裂纹尖端设置输出应力强度因子的历程输出；

子步骤五：设置所有模型中各个子区域的相互作用属性参数及边界条件；

子步骤六：划分区域网格：是指几何模型的裂纹区采用四边形中性轴算法网格控制属性；其他区域采用四边形进阶算法网格控制属性，整个模型采用CPS4R四节点双线性平面应力四边形单元，减缩积分，沙漏控制。

子步骤七：对所构建的界面主裂纹(单个裂纹)几何模型及界面主裂纹与微裂纹(两条裂纹)几何模型划分有限元网格，利用有限元方法对各模块的控制方程进行热力耦合求解，所述控制方程主要为传热模块的控制方程，由式(1)式(2)及式(3)来表征。

q＝[(1-δ)μPυ]+(δητ_yυ) (1)

式中(1-δ)μPυ为干摩擦产热量，δητ_yυ为粘着摩擦量，δ状态变量代表粘着摩擦比例，其值为0-1，μ为摩擦系数，P为摩擦压力，υ为摩擦线速度，η为机械能与热能的转换效率，τ_y为材料剪切应力。

其中c_p为高温合金恒压热容，ρ为高温合金密度；ΔQ为单位时间内传入微元体内的热量；

子步骤八：依据上述步骤求解获得不同尺寸、数量、位置的裂纹尖端应力强度因子数值，结合相应作用规律，完成高温合金线性摩擦焊接头裂纹尖端应力强度因子及相互影响的耦合分析。

本发明进一步的技术方案是：所述子步骤八中，依据裂纹尖端的应力场大小及应力强度因子数值的正负和大小研究高温合金线性摩擦焊接头裂纹相互作用规律(此处相互作用规律即主微裂纹的萌生扩展顺序、微裂纹与主裂纹对彼此裂纹尖端应力场的影响规律)，依据应力强度因子数值越大，裂纹尖端应力场越大，裂纹越容易发生扩展这个原则来预测裂纹扩展倾向，分析加入初始拉伸残余应力对该接头界面主裂纹及附近微裂纹尖端应力强度因子及相互作用、扩展倾向的影响规律，从而完成高温合金线性摩擦焊接头裂纹尖端应力强度因子及相互影响的耦合分析。

本发明进一步的技术方案是：所述步骤一中包括以下子步骤：

子步骤一；建立高温合金线性摩擦焊几何模型为线性焊2D模型，分为tool(振动刚体)和sample(变形体试样)两个部分。对sample部件创建分区划分为焊缝区，热影响区以及母材区，并对其设置夹持端区域以及自由端区域。

子步骤二：设置该合金材料属性参数，包括基本力学参数、热力学参数和本构模型参数。

子步骤三：选择适用于所述所有模型的ALE自适应网格参数及质量缩放参数；

子步骤四：进行接触面间的摩擦产热与膜层散热设置，包括tool与sample之间的面面接触与sample焊缝区域的自接触属性，sample不同区域的对流换热情况设置；

子步骤五：设置载荷及边界，对sample定义初始温度，底端施加顶锻压力，限制其X方向的位移和X-Y平面的转动；限制tool中Y方向的位移和X-Y平面的转动并给予其X方向的线性振动，振动方式采用周期型幅值曲线来表征，所述周期型幅值曲线用傅立叶(Fourier)级数式(4)和式(5)来表征：

t≥t₀时：幅值

t＜t₀时：幅值a＝A₀ (5)

其中N为傅立叶级数项的个数；ω为圆周频率；t₀为起始时刻；A₀为初始幅值；A_n为cos项的系数(n＝1，2，3，...)；B_n为cos项的系数；

子步骤六：设置网格属性；

子步骤七：对所构建的线性摩擦焊模型划分有限元网格，利用有限元方法对各模块的控制方程进行热力耦合求解；所述后处理分析包括截取焊后接头区域，划分接头区域为多个子区域，提取子区域的应力数值。

本发明进一步的技术方案是：所述子步骤二中的基本力学参数包括杨氏模量、泊松比和密度。

本发明进一步的技术方案是：所述子步骤二中的基本热力学参数包括导热系数、比热容和热膨胀系数。

本发明进一步的技术方案是：所述子步骤二中的本构模型参数为Johnson-Cook本构模型。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明提出一种高温合金线性摩擦焊接接头残余应力的数值模拟表征方法，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的影响及相互作用规律，突破性的将高温合金线性摩擦焊数值模拟焊接结束时刻接头的残余应力作为后续裂纹相互影响研究的初态，创新性的将裂纹的几何参数及位置参数结合，克服了现有研究中只局限于原材料且裂纹参数较少的不足，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。

本发明中的实施例1和实施例2，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(各参数示意见附图说明1)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。

附图说明

图1为裂纹几何参数及位置参数示意

图2为实施例1和2中步骤(2)所获得的高温合金接头及其子区域划分情况

图3为接头裂纹位置示意图

图4为实施例1中Position2位置处裂纹模型数值计算结果，其中(1)不同裂纹长度下裂纹尖端应力强度因子(2)不同初始载荷下裂纹尖端应力强度因子

图5为实施例2中Position2位置处裂纹模型数值计算结果，其中(1)不同b/a下裂纹尖端应力强度因子(2)不同b/h下裂纹尖端应力强度因子(3)不同Ψ下裂纹尖端应力强度因子(4)不同θ下裂纹尖端应力强度因子

图6为sample部件及坐标示意图

具体实施方式

参见图1—图6，本发明提出一种高温合金线性摩擦焊接接头裂纹尖端应力强度因子及相互影响的数值模拟方法，充分考虑焊接接头裂纹的数量、位置以及尺寸对数值计算结果的影响，为焊接接头的残余应力表征提供思路和方法，也为焊接接头的裂纹扩展规律提供借鉴。其采用以下的技术方案实现：

一种模拟高温合金线性摩擦焊接接头裂纹相互影响的方法包括以下步骤：

步骤1：建立高温合金线性摩擦焊接有限元模型

所述步骤主要包括在热-力耦合软件ABAQUS中建立高温合金线性摩擦焊接几何模型、设置该合金材料属性参数、选择适用于此模型的ALE自适应网格参数及质量缩放参数、进行接触面间的摩擦产热与膜层散热设置、设置载荷及边界，施加预定义温度场、设置网格属性、模拟计算及后处理分析等七大部分。所述七部分均建立在步骤1的基础之上。

所述第一部分的高温合金线性摩擦焊几何模型为线性焊2D模型，分为tool(振动刚体)和sample(变形体试样)两个Part。对sample部件创建分区，充分考虑实际线性摩擦焊接接头的热物性能差异，划分为焊缝区，热影响区以及母材区，分别设置夹持端区域以及自由端区域。

所述第二部分的设置该合金材料属性参数主要包括基本力学参数、热力学参数和本构模型参数。

所述基本力学参数包括杨氏模量、泊松比和密度；

所述基本热力学参数包括导热系数、比热容和热膨胀系数；

所述本构模型参数为Johnson-Cook本构模型；

所述第三部分的选择适用于此模型的ALE自适应网格参数及质量缩放参数主要涉及ALE Adaptive Mesh Controls(自适应网格控制)和ALE Adaptive Mesh Area(自适应网格区域)；

所述第四部分的进行接触面间的摩擦产热与膜层散热设置包括tool与sample之间的面面接触与sample焊缝区域的自接触属性，sample不同区域的对流换热情况设置；

所述第五部分的设置载荷及边界，施加预定义场包括对sample定义初始温度，底端施加顶锻压力，限制其X方向的位移和X-Y平面的转动；限制tool中Y方向的位移和X-Y平面的转动并给予其X方向的线性振动，振动方式采用周期型幅值曲线来表征，所述周期型幅值曲线用傅立叶(Fourier)级数式(1)和式(2)来表征：

t≥t₀时：幅值

t＜t₀时：幅值a＝A₀ (2)

其中N为傅立叶级数项的个数；ω为圆周频率；t₀为起始时刻；A₀为初始幅值；A_n为cos项的系数(n＝1，2，3，...)；B_n为cos项的系数。

所述第六部分的设置网格属性包括sample网格采取母材区至焊缝区逐渐细化的方式，主要涉及四边形自由进阶算法，四边形为主自由进阶算法；单元类型为ABAQUSExplicit温度-位移耦合CPE4RT四结点热耦合平面应变四边形单元，双线性位移和温度，采用减缩积分、沙漏控制的单元控制类型。

所述第七部分的模拟计算及后处理分析包括对所构建的线性摩擦焊模型划分有限元网格，利用有限元方法对各模块的控制方程进行热力耦合求解；所述后处理分析包括截取焊后接头区域，划分接头区域为多个子区域，提取子区域的应力数值。

步骤2：建立焊接接头几何模型，设置接头残余应力

此步骤建立在步骤1的基础之上，所述建立焊接接头几何模型是指根据步骤1截取的接头区域尺寸，在UG建模软件中对划分的子区域进行建模，后利用UG与ABAQUS的信息交互接口，将IGES文件导入ABAQUS草图模块，修复几何草图，拉伸成型建立高温合金线性摩擦焊焊接接头几何模型。所述设置接头残余应力是指将步骤1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)。

步骤3：确定裂纹位置、数量及尺寸

所述步骤基于步骤2，根据高温合金线性摩擦焊接接头缺陷的存在位置，选定接头界面下1mm处的接头中心、飞边根部等共4个子区域作为后续预制裂纹的区域；本发明选定裂纹数量和类型为界面主裂纹(单个裂纹)、界面主裂纹与微裂纹(两条裂纹)；裂纹尺寸依据实际接头裂纹尺寸定为μm级。

步骤4：建立高温合金线性摩擦焊接接头裂纹尖端应力强度因子及相互影响几何模型

所述步骤主要包括对步骤2建立的接头几何模型进行裂纹区域划分、设置接头材料属性，装配接头各个子区域，建立分析步、设置相互作用属性参数及边界条件，划分区域网格、模拟计算及后处理等七大部分。这七大部分均建立在步骤1～3之上。

所述第一大部分对接头的几何模型进行裂纹区域划分是指根据步骤3确定的裂纹位置、数量以及尺寸在ABAQUS的Part模块预制裂纹，共获得两类几何模型，第一类：界面主裂纹(单个裂纹)几何模型；第二类：界面主裂纹与微裂纹(两条裂纹)几何模型；

所述第二大部分设置接头材料属性是指在ABAQUS的材料属性模块创建高温合金线性摩擦焊接接头GH4169材料，设置弹性模量为201GPa，泊松比为0.3。建立一个与GH4169关联的均匀固体域，并将此域特性赋给整个模型；

所述第三大部分装配接头各个子区域是指在ABAQUS的装配模块将各部分Part组装成为一个非独立实例；

所述第四大部分建立分析步是指在ABAQUS分析步模块创建一名为Step-1的静力分析步，对每一个裂纹尖端设置输出应力强度因子的历程输出，为提高精度，计算5次云图积分；

所述第五大部分设置相互作用属性参数及边界条件是指在ABAQUS相互作用模块为各Part之间建立绑定约束；在ABAQUS载荷模块对接头顶端施加250MPa拉伸载荷，对接头底端施加固定约束，设置整个接头区域的初始温度为25℃，设置每一个子区域的残余应力数值；

所述第六大部分划分区域网格是指几何模型的裂纹区采用四边形中性轴算法网格控制属性，网格尺寸为0.3μm；其他区域采用四边形进阶算法网格控制属性，网格尺寸为20μm，整个模型采用CPS4R四节点双线性平面应力四边形单元，减缩积分，沙漏控制。

所述第七大部分模拟计算及后处理是指对所构建的模型划分有限元网格，利用有限元方法对各模块的控制方程进行热力耦合求解；对不同尺寸、数量、位置的裂纹尖端应力强度因子进行表征，研究高温合金线性摩擦焊接头裂纹相互作用规律，预测裂纹扩展倾向，分析加入初始拉伸残余应力对该接头界面主裂纹及附近微裂纹尖端应力强度因子及相互作用、扩展倾向的影响规律，从而完成高温合金线性摩擦焊接头裂纹尖端应力强度因子及相互影响的耦合分析。

以下结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例子的具体方法包括以下步骤：

(1)建立高温合金线性摩擦焊接有限元模型步骤

采用ABAQUS中Part模块建立二维几何模型，包括变形体工件和振动刚体工件，所述变形体工件几何模型为长方形，长40mm，宽18mm；所述振动刚体工件为长60mm的二维解析刚体。对所述变形体工件进行区域划分，夹持端区域为18mm×30mm的长方形几何模型，焊接自由端区域为18mm×10mm的长方形几何模型。

采用ABAQUS中Property模块定义材料属性参数，创建实体均质截面，并将截面属性指派给高温合金变形体工件；本实例中采用的材料属性参数见表格1。

表格1本发明中实施例1和2步骤(1)中所涉及的材料属性参数；

采用ABAQUS中Step模块将建立几何模型步骤中的焊接自由区域设置为自适应网格控制区域，采用改进长宽比的曲率细化体积算法的ALE自适应网格控制方式，选择频率为1，选择对每个增量步重划扫略网格数为50；在动力，温度-位移，显示分析步中设置整个模型半自动质量缩放技术，缩放系数为10000。

在ABAQUS中Interaction模块进行设置，变形体工件与振动刚体工件接触区域设置运动接触法的表面与表面接触，采用有限滑移的滑移公式，接触作用属性为使用罚摩擦公式的随温度变化摩擦系数的切向摩擦行为和硬接触的法向行为。

在ABAQUS中Load模块进行设置，对2D变形体工件施加180MPa的顶锻压力；限制夹持端X方向的位移以及X-Y平面的转动；限制振动刚体工件Y方向的位移和X-Y方向的转动，定义振动刚体线性振动周期型幅值曲线，设定其振幅为3mm，振动频率为25Hz；对变形体工件及振动刚体工件施加预定义温度为25℃。

在ABAQUS中Mesh模块进行设置，夹持端网格近似尺寸为3mm，焊缝区其余区域网格近似尺寸为0.6mm，对整个变形体工件划分网格，单元类型为CPE4RT四结点热耦合平面应变四边形单元，双线性位移和温度，减缩积分，沙漏控制。

在ABAQUS中Job模块进行设置，创建并提交作业，利用有限元方法对各模块的控制方程进行热力耦合求解；模拟计算成功后截取焊后接头区域，划分接头区域为多个子区域，提取子区域的应力数值。焊接接头区域划分及应力数值提取见附图说明2和表格2。

表格2接头各个子区域残余应力提取数值；

(2)建立焊接接头几何模型，设置接头残余应力步骤

在UG建模软件中导入截取的接头光栅图片，描线建模，保存为IGES格式文件，建立与ABAQUS的信息交互，在ABAQUS软件的草图模块，进行几何修复，最后拉伸成型建立高温合金线性摩擦焊焊接接头几何模型；在ABAQUS的载荷模块，预定义接头应力场，赋予上个步骤提取的每个子区域残余应力数值，对应子区域的残余应力数值为表格2数值。

(3)建立接头不同部位单个裂纹尖端应力强度因子及相互影响有限元模型步骤

采用ABAQUS中Part模块完善二维几何模型，使用面分割工具预制2a＝2、4、6、8、10、12、14μm的界面主裂纹。主裂纹位于距离界面1mm的位置，具体裂纹位置示意见附图说明3，裂纹分布位置主要选择接头中心及飞边附近共4个理想化区域，4个位置分别命名为Position1、Position2、Position3、Position4。

在ABAQUS的材料属性模块创建高温合金线性摩擦焊接GH4169材料，设置弹性模量为201GPa，泊松比为0.3。建立一个与GH4169关联的均匀固体域，并将此域特性赋给整个模型。

在ABAQUS软件中的相互作用模块，进入特殊设置模块，创建名为Maincrack-L、Maincrack-R的云图积分裂纹，选择裂纹尖端附近区域为裂纹扩展区域，确定裂纹尖端位置并指定裂纹扩展方向，设置裂纹奇异性结点参数为0.25，裂纹尖端/线退化单元控制为失效的单元边，重复结点。

在ABAQUS分析步模块创建一名为Step-1的静力分析步，对Maincrack-L、Maincrack-R每一个裂纹尖端设置输出应力强度因子的历程输出，为提高精度，计算5次云图积分。

在ABAQUS的载荷模块对高温合金线性摩擦焊接头顶端设置拉伸载荷，选择拉伸压力值分别为100、150、200、250、300、350、400MPa；对平板底端施加固定约束，设置整个平板的初始温度为25℃。

在ABAQUS的网格模块，设置裂纹区网格尺寸为0.5μm，采用四边形中性轴算法网格控制属性；其他区域设置网格尺寸为20μm，采用四边形进阶算法网格控制属性。整个模型采用CPS4R四节点双线性平面应力四边形单元，减缩积分，沙漏控制，共计3190个网格单元。

在ABAQUS中Job模块创建作业并提交分析，实时监控模拟过程的收敛情况；计算成功后对不同尺寸、初始拉伸载荷下裂纹尖端应力强度因子进行表征，分析高温合金线性摩擦焊接接头界面主裂纹尖端应力场、扩展倾向的影响规律。

结果表明：本实施例选择Position2位置处裂纹进行数值模拟分析，计算结果如附图说明4所示，不同位置处裂纹尖端应力强度因子数值随位置参数的变化趋势大致相同，因此这里只选取位置2处裂纹模型来加以分析，图4所示：随着初始界面主裂纹长度的增大，主裂纹左侧尖端KI值大体呈下降趋势，右侧尖端KI值大体呈上升趋势，左侧KI值始终大于右侧KI值，当a＝7μm时，左右侧尖端KI值非常接近，这里左侧KI值始终是大于0，右侧KI值始终是小于0，与接头受力情况有关，同时也说明，左侧尖端扩展倾向更大一些，而右侧尖端裂纹会发生闭合。随着初始拉伸载荷的逐渐增大，主裂纹右侧尖端KI值缓慢减小，最后达到稳定，且应力强度因子数值均小于0，左侧尖端KI值逐渐增大，最后也达到稳定，且应力强度因子数值均大于0，左侧KI值始终大于右侧KI值，由此得出：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；

实施例2

本实施例子的具体方法包括以下步骤：

(1)建立高温合金线性摩擦焊接有限元模型步骤

同实施例1中的步骤(1)

(2)建立焊接接头几何模型，设置接头残余应力步骤

同实施例1中的步骤(2)

(3)建立接头不同部位双裂纹尖端应力强度因子及相互影响有限元模型步骤

采用ABAQUS中Part模块完善二维几何模型，使用面分割工具预制2a(主裂纹长度)界面主裂纹及其2b(微裂纹长度)微裂纹，确定2a＝10μm，分别建立不同位置下b/a＝0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1；b/h(h为主微裂纹上下间距)＝0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1；ψ(ψ为主微裂纹间夹角)＝10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°；θ(θ为微裂纹方位角)＝10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°等多个裂纹位置、尺寸参数下的几何模型；

在ABAQUS的材料属性模块创建高温合金线性摩擦焊接GH4169材料，设置弹性模量为201GPa，泊松比为0.3。建立一个与GH4169关联的均匀固体域，并将此域特性赋给整个模型。

在ABAQUS软件中的相互作用模块，进入特殊设置模块，创建名为Maincrack-L、Maincrack-R、Microcrack-L、Microcrack-R的云图积分裂纹，选择裂纹尖端附近区域为裂纹扩展区域，确定裂纹尖端位置并指定裂纹扩展方向，设置裂纹奇异性结点参数为0.25，裂纹尖端/线退化单元控制为失效的单元边，重复结点。

在ABAQUS分析步模块创建一名为Step-1的静力分析步，对Maincrack-L、Maincrack-R、Microcrack-L、Microcrack-R每一个裂纹尖端设置输出应力强度因子的历程输出，为提高精度，计算5次云图积分。

在ABAQUS的载荷模块对高温合金线性摩擦焊接头顶端设置拉伸载荷，选择拉伸压力值为250MPa，对平板底端施加固定约束，设置整个平板的初始温度为25℃。

在ABAQUS的网格模块，设置裂纹区网格尺寸为0.5μm，采用四边形中性轴算法网格控制属性；其他区域设置网格尺寸为20μm，采用四边形进阶算法网格控制属性。整个模型采用CPS4R四节点双线性平面应力四边形单元，减缩积分，沙漏控制。共计3439个网格单元。

在ABAQUS中Job模块创建作业并提交分析，实时监控模拟过程的收敛情况；计算成功后对不同b/a、b/h、ψ及θ下裂纹尖端应力场及应力强度因子进行表征，分析高温合金线性摩擦焊接头界面主裂纹及微裂纹尖端应力场、扩展倾向的影响规律。

结果表明：本实施例选择Position2位置处裂纹进行数值模拟分析，计算结果如附图说明5所示，不同位置处裂纹尖端应力强度因子数值随位置参数的变化趋势大致相同，因此这里只选取位置2处裂纹模型来加以分析，图5所示：在不同的b/a取值下，接头主裂纹右侧尖端及微裂纹左右侧尖端的KI值保持一致，而接头主裂纹左侧尖端KI值波动较大，且均在小于0位置处波动，总体来说，KI值处于0附近，表明在该受力状态下，主裂纹左侧尖端易发生闭合，且主裂纹与微裂纹尖端应力场较小；在不同的b/h取值下，微裂纹右侧尖端，KI值始终在0值附近波动，但波动较小，左侧尖端KI值在小于0位置处波动，且应力强度因子数值不太稳定，主裂纹右侧尖端KI值始终大于0，左侧KI值始终小于0，表明在该受力状态下，主裂纹右侧尖端扩展倾向更大，而其左侧尖端易发生闭合；在不同的ψ取值下，主、微裂纹两侧尖端KI值均在0值处波动，但主裂纹右侧尖端KI值波动范围在大于0区域，主裂纹左侧尖端与微裂纹左侧尖端KI值波动范围在小于0区域；在不同的θ取值下，规律与不同ψ取值下的规律大致相同；总结来说：对于高温合金线性摩擦焊接接头，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。

以上仅为本发明的部分实施例子，但不能以此限定本发明的范围；即但凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (6)

1.一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；

步骤三：确定裂纹位置、数量及尺寸：选定裂纹数量和类型为界面主裂纹(单个裂纹)、界面主裂纹与微裂纹(两条裂纹)；

步骤四：建立高温合金线性摩擦焊接接头裂纹尖端应力强度因子及相互影响几何模型，包括以下子步骤：

子步骤一：对接头的几何模型进行裂纹区域划分，根据步骤三，划分为两大类：第一类为界面主裂纹(单个裂纹)几何模型；第二类为界面主裂纹与微裂纹(两条裂纹)几何模型；

子步骤二：设置接头材料属性；包括设置弹性模量，泊松比，建立与材料关联的均匀固体域，并将此域特性赋给整个模型，此处模型包含界面主裂纹(单个裂纹)几何模型及界面主裂纹与微裂纹(两条裂纹)几何模型；

子步骤三：装配接头各个子区域是指在ABAQUS的装配模块将各个子区域组装成为一个整体；

子步骤四：创建一名为Step-1的静力分析步，对每一个裂纹尖端设置输出应力强度因子的历程输出；

子步骤五：设置所有模型中各个子区域的相互作用属性参数及边界条件；

子步骤六：划分区域网格：是指几何模型的裂纹区采用四边形中性轴算法网格控制属性；其他区域采用四边形进阶算法网格控制属性，整个模型采用CPS4R四节点双线性平面应力四边形单元，减缩积分，沙漏控制。

子步骤七：对所构建的界面主裂纹(单个裂纹)几何模型及界面主裂纹与微裂纹(两条裂纹)几何模型划分有限元网格，利用有限元方法对各模块的控制方程进行热力耦合求解，所述控制方程主要为传热模块的控制方程，由式(1)式(2)及式(3)来表征。

q＝[(1-δ)μPυ]+(δητ_yυ) (1)

式中(1-δ)μPυ为干摩擦产热量，δητ_yυ为粘着摩擦量，δ状态变量代表粘着摩擦比例，其值为0-1，μ为摩擦系数，P为摩擦压力，υ为摩擦线速度，η为机械能与热能的转换效率，τ_y为材料剪切应力。

其中c_p为高温合金恒压热容，ρ为高温合金密度；ΔQ为单位时间内传入微元体内的热量；

子步骤八：依据上述步骤求解获得不同尺寸、数量、位置的裂纹尖端应力强度因子数值，结合相应作用规律，完成高温合金线性摩擦焊接头裂纹尖端应力强度因子及相互影响的耦合分析。

2.如权利要求1所述的一种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，所述子步骤八中，依据裂纹尖端的应力场大小及应力强度因子数值的正负和大小研究高温合金线性摩擦焊接头裂纹相互作用规律(此处相互作用规律即主微裂纹的萌生扩展顺序、微裂纹与主裂纹对彼此裂纹尖端应力场的影响规律)，依据应力强度因子数值越大，裂纹尖端应力场越大，裂纹越容易发生扩展这个原则来预测裂纹扩展倾向，分析加入初始拉伸残余应力对该接头界面主裂纹及附近微裂纹尖端应力强度因子及相互作用、扩展倾向的影响规律，从而完成高温合金线性摩擦焊接头裂纹尖端应力强度因子及相互影响的耦合分析。

3.如权利要求1所述的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，其特征在于，所述步骤一中包括以下子步骤：

子步骤一；建立高温合金线性摩擦焊几何模型为线性焊2D模型，分为tool(振动刚体)和sample(变形体试样)两个部分。对sample部件创建分区划分为焊缝区，热影响区以及母材区，并对其设置夹持端区域以及自由端区域。

子步骤二：设置该合金材料属性参数，包括基本力学参数、热力学参数和本构模型参数。

子步骤三：选择适用于所述所有模型的ALE自适应网格参数及质量缩放参数；

子步骤四：进行接触面间的摩擦产热与膜层散热设置，包括tool与sample之间的面面接触与sample焊缝区域的自接触属性，sample不同区域的对流换热情况设置；

子步骤五：设置载荷及边界，对sample定义初始温度，底端施加顶锻压力，限制其X方向的位移和X-Y平面的转动；限制tool中Y方向的位移和X-Y平面的转动并给予其X方向的线性振动，振动方式采用周期型幅值曲线来表征，所述周期型幅值曲线用傅立叶(Fourier)级数式(4)和式(5)来表征：

t≥t₀时：幅值

t＜t₀时：幅值a＝A₀ (5)

其中N为傅立叶级数项的个数；ω为圆周频率；t₀为起始时刻；A₀为初始幅值；A_n为cos项的系数(n＝1,2,3，…)；B_n为cos项的系数；

子步骤六：设置网格属性；

子步骤七：对所构建的线性摩擦焊模型划分有限元网格，利用有限元方法对各模块的控制方程进行热力耦合求解；所述后处理分析包括截取焊后接头区域，划分接头区域为多个子区域，提取子区域的应力数值。

4.如权利要求2所述的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，其特征在于，所述子步骤二中的基本力学参数包括杨氏模量、泊松比和密度。

5.如权利要求2所述的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，其特征在于，所述子步骤二中的基本热力学参数包括导热系数、比热容和热膨胀系数。

6.如权利要求2所述的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，其特征在于，所述子步骤二中的本构模型参数为Johnson-Cook本构模型。

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