CN112475659A - 一种线性摩擦焊与其接头ct试样裂纹行为顺序模拟方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种线性摩擦焊与其接头CT试样裂纹行为顺序模拟方法

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：

步骤2.6：设置网格属性并划分网格；

步骤2.7：根据前面子步骤的设置，进行分析，得到焊接接头形状的宏观变化和应力云图，并得到云图中各区的应力；

步骤3：确定CT试样选取位置，截取应力云图，在接头残余应力云图中截取3个应力集中的区域作为初始裂纹尖端位置作为3个区域，并在UG绘图软件中绘制应力云图草图；

步骤4：建立线性摩擦焊接头应力强度因子，计算CT试样模型，包括以下子步骤：

步骤4.1：建立CT试样的几何模型，并设置材料属性；

步骤4.2：创建静力通用分析步，设置CT试样的两个孔内表面与孔中心的耦合关系，对两个中心点分别施加集中力，上孔为向上(Y方向)的集中力，下孔为向下的集中力；

步骤4.3：设置网格属性并划分网格；提交作业并进行分析

步骤5：建立线性摩擦焊接头疲劳扩展CT试样模型，包括以下子步骤：

步骤5.1：建立CT试样几何模型，并建立作为初始裂纹的直线；

步骤5.2：设置材料属性，包括弹性属性和损伤属性参数；

步骤5.3：装配裂纹和分析CT试样模型，裂纹及CT试样均为非独立属性；

步骤5.4：创建direct cyclic分析步，用于模型的循环加载分析；

步骤5.5：设置裂纹属性，允许裂纹扩展；

步骤5.5：设置CT试样的两个孔内表面与孔中心的耦合关系，对两个中心点分别施加集中力，上孔为向上(Y方向)的集中力，下孔为向下的集中力；限制两孔作X方向的位移和X-Y平面内的转动，将步骤2中得到的各区的应力值直接赋予到相应的分区中；

步骤5.6：进行网格划分，

步骤5.7：提交作业并进行分析；将3处分区的有、无应力的CT试样扩展行为进行对比，分析接头焊后残余应力对裂纹扩展的影响。

本发明进一步的技术方案是：所述步骤2.2中，选用Johnson-Cook本构模型，包含的参数为：A，B，n，m，T_m、T_r，其中A和B为应变硬化参数，n为应变硬化幂指数，m为热软化幂指数，T_m为材料熔点，T_r为材料转变温度、硬化参数(选用Johnson-Cook硬化模型)、密度、热导率及比热，根据高温合金的属性选取各参数的数值，用以表征高温合金，将材料属性赋予可变形体焊件模型。

本发明进一步的技术方案是：所述步骤2.6中，单元类型选择温度-位移耦合的CPE4RT四节点双线性位移-温度耦合平面应变四边形单元，并勾选减缩积分和沙漏控制，对可变形体划分网格时采用从焊件末端到接触面一端逐渐细化的划分方式。

本发明进一步的技术方案是：所述步骤4.3和5.6中选用的单元属性为CPS4R，四节点线性平面应力四边形单元，采用沙漏控制和减缩积分，对按照应力分区的部分进行网格细化处理。

发明效果

由于CT试样是由线性摩擦焊模型中取出，尺寸、形状均发生了变化，网格也同线性摩擦焊模型完全不同，所以无法采用odb文件直接引入接头的焊接残余应力，如何进行焊接接头的CT试样分析一直是一个难题。本发明中，使用绘图软件UG将CT试样按照接头残余应力云图分区，再使用直接赋值法将接头的应力逐一输入，克服了从线性摩擦焊接头中取出CT试样而无法导入残余应力的问题，将接头裂纹的模拟研究起到推进作用；

本发明的技术效果在于：本发明首先进行高温合金线性摩擦焊的模拟，随后在其模拟结果的基础上进行CT试样裂纹扩展的模拟，最终得到了一种较为准确计算线性摩擦焊接头应力强度因子和模拟裂纹扩展的有限元模型，有效地预测了焊后残余应力对裂纹尖端应力场和扩展趋势的影响。该模拟方法可以广泛应用于各种焊接方法所得接头裂纹行为趋势的预测，为焊接接头的断裂行为的研究提供了一种新思路：

本发明考虑到分区划分复杂，网格也会变得杂而密，会对后续裂纹尖端应力强度因子的计算及裂纹扩展行为产生影响，将CT试样裂纹尖端区域进行简化处理，使网格对计算结果的影响降到最低，为裂纹扩展模拟的网格最优化设计提供了一种思路；同时本文以已完成分区的CT试样为基，将有/无施加应力的CT试样进行对比，也是将网格对裂纹的影响考虑周全的一种方法。

附图说明

图1为线性摩擦焊几何模型主要尺寸图，单位为米。

图2线性摩擦焊加载示意图

图3高温合金线性摩擦焊焊后应力云图

图4所选取的3处应力区域示意图

图5为CT试样的3处分区示意图，从左到右分别对应附图4的①至③区

图6为CT试样3种分区赋值结果，依次对应附图4的①至③区

图7实例2中裂纹扩展结果，分区①，(1)已分区无应力(2)已分区有应力，分区②，(3)已分区无应力(4)已分区有应力，

分区③，(5)已分区无应力(6)已分区有应力

具体实施方式

参见图1—图7，本方法特点是先应用温度-位移耦合模拟线性摩擦焊工艺过程，获得焊后应力的分布情况；然后采用分块赋予应力的方法为尺寸、形状、网格划分均与焊接接头不同的CT试样模型进行局部裂纹行为分析，克服了目前CT试样裂纹扩展分析过程中由于模型不同而无法引入应力的问题。

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。

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及扩展的顺序模拟方法，其特征是所述模拟方法是在有限元模拟软件ABAQUS中按照如下步骤进行：

步骤1：确定高温合金线性摩擦焊焊件及CT试样的尺寸

此步骤为根据国标GB/T21143-2007国标的要求确定CT试样的尺寸范围，并根据CT试样的尺寸确定线性摩擦焊焊件的尺寸，保证CT试样可以从焊接接头中顺利取出。根据国标可知CT试样中要求W≥25mm，本发明中选用W＝42mm，裂纹长度a＝12mm(其中预制裂纹3mm)，其余的尺寸为W₁＝50mm，F＝11mm，D＝5mm，H＝25mm，保证了尺寸的合规，线性摩擦焊可变形体焊件的尺寸取值为120×300mm，保证可以从焊接接头中切取完整的CT试样。

步骤2：建立高温合金线性摩擦焊模型

所述步骤主要包括在有限元模拟软件ABAQUS中建立高温合金线性摩擦焊几何模型，设置线性摩擦焊焊件的材料属性参数，建立适合热-力耦合分析的分析步，设置焊件之间接触摩擦参数，设置焊接参数，包括焊接压力、振动频率、振幅及焊接时间，设置边界条件和初始温度场，设置网格属性并划分网格几个部分。由于线性摩擦焊工艺是由对称夹持的两个焊件相互摩擦而成，有对称的特性，因此为了减少计算量，本专利将其中一个焊件用刚体代替。

本专利采用的高温合金线性摩擦焊几何模型为2D模型，在part模块建立一个可变形体模型和一个刚体模型(用来代替另一个焊件)，并对可变形体按夹持区域尺寸进行分区处理，包括接触面近邻的大变形区，中间区以及末端夹具夹持区域；

在property模块设置焊件材料属性：包括弹性属性(杨氏模量和泊松比)、塑性属性，本发明选用Johnson-Cook本构模型，模型包含的参数为：A，B，n，m，T_m、T_r，其中A和B为应变硬化参数，n为应变硬化幂指数，m为热软化幂指数，T_m为材料熔点，T_r为材料转变温度、硬化参数(选用Johnson-Cook硬化模型)、密度、热导率及比热，根据高温合金的属性选取各参数的数值，用以表征高温合金，将材料属性赋予可变形体焊件模型。；

在assembly模块将可变形体焊件和刚体焊件装配，使两焊件模型相互接触；

在step模块创建分析步并设置输出量：考虑应力释放情况，本步骤创建两个连续的分析步，分析步1命名为welding，选用温度-位移耦合的动态显示分析步，分析步时长设置为8s，并设置质量缩放的参数，用来模拟焊接过程；分析步2命名为cooling，选用温度-位移耦合的动态显示分析步，时长设置为240s，用来模拟焊后冷却过程；在other功能栏中设置ALE自适应网格属性，频率选择1，每个增量步允许重新绘制网格次数设置为50次，并对接触面附近的大变形区赋予ALE属性；

在interaction模块创建接触关系：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，勾选与温度相关选项，表征两个焊件在焊接过程中摩擦系数是随温度变化的；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，其中与夹具的换热系数为1000W/(m²·K)，与空气的换热系数为30W/(m²·K)，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；

在load模块设置焊接工艺参数：包括在载荷功能处设置顶锻力，加载在可变形体的底部；在预定义场功能中设置材料的初始温度；第一个分析步中，在边界条件功能中为刚体焊件设置位移/转角约束，保证焊件仅在X方向振动，振动的加载选择周期型幅值作为加载方式，对可变形体焊件夹持区域设置位移/转角约束，保证焊件仅能够在Y方向产生位移。第二个分析步中，关闭前面的位移/转角约束，模型保持静止；

在mesh模块设置网格属性并划分网格：单元类型选择温度-位移耦合的CPE4RT四节点双线性位移-温度耦合平面应变四边形单元，并勾选减缩积分和沙漏控制，对可变形体划分网格时采用从焊件末端到接触面一端逐渐细化的划分方式，此种方法可以使模型更容易收敛。

在job模块提交作业并进行分析，得到焊接接头形状的宏观变化和应力云图，在各区中选取一个单元，获取其应力数值，代表云图中各区的应力。

步骤3：确定CT试样选取位置，截取应力云图，并在UG绘图软件中绘制应力云图草图

所述步骤包括CT试样位置的选取，在接头残余应力云图中截取3个区域，并利用绘图软件UG绘制出云图草图；所述步骤2建立了高温合金线性摩擦焊模型，并得到了接头焊后残余应力分布图，在接头残余应力云图中选取3个应力集中的区域作为初始裂纹尖端位置，以应力集中区为中心，在残余应力云图中截取50×30mm的矩形分区；将3个分区截图分别用光栅图像功能导入UG绘图软件，并依据云图进行草图绘制，绘制完成后保存为iges文件；

步骤4：建立线性摩擦焊接头应力强度因子计算CT试样模型

所述步骤包括在有限元分析软件ABAQUS中建立CT试样几何模型、设置材料属性、创建合适的分析步、设置加载方式及边界条件、设置预定义场、设置网格属性并划分网格和提交作业并进行分析几部分，具体内容为：

在part模块建立CT试样的几何模型，尺寸选取为W＝40mm，W₁＝50mm，a＝10mm。应用分区-草图功能将步骤3所得草图iges文件导入；

在property模块设置材料属性：包括弹性属性(杨氏模量和泊松比)；

在assembly模块将CT试样装配，属性设为独立；

在step模块创建分析步：选择静力通用分析步，分析步时长设为1s，初始增量步设为0.1，最小增量步设为1E^-9，最大增量步设为1；

在load模块设置载荷和边界条件：设置CT试样的两个孔内表面与孔中心的耦合关系，对两个中心点分别施加集中力，上孔为向上(Y方向)的集中力，下孔为向下的集中力；使用Predefined Field Manager功能将步骤2中得到的各区的应力值直接赋予到相应的分区中；

在mesh模块设置网格属性并划分网格：选用的单元属性为CPS4R，四节点线性平面应力四边形单元，采用沙漏控制和减缩积分，对按照应力分区的部分进行网格细化处理；

在job模块提交作业并进行分析，分别获得接头3处应力集中位置的应力强度因子，对比3个分区有、无残余应力的模型的裂纹尖端应力强度因子的差别，分析接头残余应力对接头裂纹应力强度因子的影响。

步骤5：建立线性摩擦焊接头疲劳扩展CT试样模型

所述步骤包括在有限元分析软件ABAQUS中建立CT试样几何模型、设置材料属性、创建合适的分析步、设置加载方式及边界条件、设置预定义场、设置网格属性并划分网格和提交作业并进行分析几部分，具体内容与步骤4中相似，不同内容如下：

在part模块建立CT试样几何模型：除了建立CT试样主体模型外，还需通过建立一条可变形体壳单元的直线，作为初始裂纹；在分区-草图功能引入步骤3中iges文件，并对裂纹附近位置的分区进行一定程度的简化，尽量减小网格划分方法对裂纹扩展路径的影响；

在material设置材料属性：需要设置弹性属性和损伤属性参数，所述损伤属性参数包括：最大主应力损伤、损伤演化及损伤稳定性参数；

在assembly模块中装配模型：装配裂纹和分析CT试样模型，裂纹及CT试样均为非独立属性；

在step模块选择direct cyclic分析步，循环周期设为0.2s，设置增量参数，类型选为固定，设置最大增量步为100000，设置傅里叶级数，初始20，最大值50，增量5；勾选低周疲劳分析，循环增量最小值设为1，最大值设为1000，最大循环次数设为150000；

在interaction模块中设置裂纹属性：在special功能栏中创建裂纹，并勾选XFEM作为裂纹类型，允许裂纹扩展；

在Load模块设置载荷与边界条件：设置CT试样的两个孔内表面与孔中心的耦合关系，对两个中心点分别施加集中力，上孔为向上(Y方向)的集中力，下孔为向下的集中力；参考实际实验情况及模型的收敛性，限制两孔作X方向的位移和X-Y平面内的转动，并使用Predefined Field Manager功能将步骤2中得到的各区的应力值直接赋予到相应的分区中；

在mesh模块中对网格进行划分：对裂纹周围网格进行细化，使裂纹横穿网格，此设定可以增加计算精度。

此外还需在keywords中对疲劳参数进行设定；

在job模块中提交作业，后处理并分析数据，分别将3处分区的有、无应力的CT试样扩展行为进行对比，分析接头焊后残余应力对裂纹扩展的影响。

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

计算高温合金线性摩擦焊接头CT试样的应力强度因子，本实施例子的具体方法包括以下步骤：

(1)进行高温合金线性摩擦焊的模拟，具体为：

在part模块建立一个可变形体模型和一个刚体模型(用来代替另一个焊件)，并对可变形体按夹持区域尺寸进行分区处理，包括接触面近邻的大变形取，中间区以及末端夹具夹持区域，可变形体焊件尺寸为120mm×300mm，刚体焊件的有效尺寸为120mm(直线接触段)，尺寸及分区如附图1所示，其中示意图中单位为米；

在property模块设置焊件材料属性：设置材料的弹性属性，热导率和比热参数，设置材料的本构模型，本发明选用Johnson-Cook本构模型，其中A＝963000000Pa，B＝937000000Pa，n＝0.333，m＝1.3，T_m＝1260℃、T_r＝20℃；

在assembly模块将可变形体焊件和刚体焊件装配，使两焊件模型相互接触；

在step模块创建分析步并设置输出量：本步骤创建两个连续的分析步，分析步1命名为welding，选用温度-位移耦合的动态显示分析步，分析步时长设置为8s，；分析步2命名为cooling，选用温度-位移耦合的动态显示分析步，时长设置为240s；在other功能栏中设置ALE自适应网格属性，频率选择1，每个增量步允许重新绘制网格次数设置为50次，并对接触面附近的大变形区赋予ALE属性；

在interaction模块创建接触关系：第一个分析步中，与夹具的换热系数为1000W/(m²·K)，与空气的换热系数为30W/(m²·K)，第二个分析步中，整个模型的换热系数设为30W/(m²·K)；

在load模块设置焊接工艺参数：加载情况如附图2所示，其中顶锻力设为280MPa，加载在可变形体的底部，初始温度设置为25℃；第一个分析步中，在边界条件功能中为刚体焊件设置位移/转角约束，保证焊件仅在X方向振动，振动的加载选择周期型幅值作为加载方式，频率为25Hz，对可变形体焊件夹持区域设置位移/转角约束，保证焊件仅能够在Y方向产生位移。第二个分析步中，关闭前面的位移/转角约束，模型保持静止；

在mesh模块设置网格属性并划分网格：单元类型选择温度-位移耦合的CPE4RT四节点双线性位移-温度耦合平面应变四边形单元，并勾选减缩积分和沙漏控制。接头附近大变形区域网格尺寸设置为2mm，全局尺寸设为19mm，尺寸从底部到接触面逐渐细化，共计3075个网格。

在job模块提交作业并进行分析，得到焊接接头形状的宏观变化和应力云图，结果如图3所示，从图中可以看出，应力分布规律并不明显，部分区域存在应力集中，这些区域在服役过程中均可能成为裂纹源。

(2)确定云图分区，依据云图绘制草图

本步骤依据步骤1中所获得应力分布确定区域的选择，共选取3个应力区域，每个区域的尺寸均近似等于30mm×50mm；使用UG绘图软件，按照3个分区的应力云图分别进行草图绘制；区域的选择如附图4所示，分别为3处应力集中区域。

(3)建立接头应力强度因子计算CT模型，具体为：

在part模块建立几何模型，本发明中CT试样的尺寸均设置为a＝12mm，W＝42mm，W₁＝50mm，F＝11mm，D＝5mm，H＝25mm，对模型进行分区裂纹长度设置为3mm，具体分区情况如图5所示，所划分的应力分区与附图4相同；

在property模块定义材料属性参数，选择弹性属性，杨氏模量为215GPa，泊松比为0.29；

在assembly模块装配模型，并将模型设为独立；

在step模块创建静力通用分析步，时间设为1s；增量设置为自动类型，初始增量歩设为0.01，最小增量歩设为1E^-10，最大增量歩设为1，其余设置保持默认；勾选场输出中的S、U、PHILSM、PSILSM、SDEG及STATUSXFEM；历程输出的ALLAE、ALLCD、ALLFD、ALLIE、ALLPD；再创建一个历程输出，输出区域设为裂纹，勾选输出应力强度因子，云图数量设置为5；

在interaction模块中设置裂纹属性：在special功能栏中选择创建crack，勾选Contour integral作为裂纹类型，并在CT模型中选择裂纹尖端位置，裂纹方向为(0,1,0)，将裂纹位置指定为seam；并设置CT试样的两个孔内表面与孔中心的耦合关系；

在load模块设置载荷与边界条件，对两个中心点分别施加集中力，数值为3E⁶ N。应用Predefined Field Manager功能直接为三种分区的CT试样模型赋予焊后残余应力，赋值后效果如图6，总体效果与附图4中选区的云图一致；

在mesh模块中设置网格属性及划分网格，CT试样采用CPS4四节点线性平面应力四边形单元，关闭减缩积分以提高计算精度。全局尺寸设为2.5mm，CT试样划分区域位置的网格尺寸设为0.5mm或0.25mm(保证网格形状规则)，三种分区分别含有8178，8835，7153个网格；

在job模块提交作业，获得有/无残余应力条件下的应力强度因子。

此实例所得结果如附表1所示，结果表明：在线性摩擦焊焊后的残余应力会明显改变接头的裂纹应力强度因子，本实例接头中所选取的3个区域，赋予残余应力时CT试样的应力强度因子相对于同样分区但未赋予应力状态的试样的应力强度因子有所下降，但幅度并不大，残余应力对裂纹扩展起始开裂时间有一定的影响，但影响不大。本实例中无应力条件下应力强度因子的解析解为

与模拟计算的结果差距分别为4.2％，3.9％，4.5％，可以证明本实例中采用对裂纹尖端分区进行简化处理的方法可以获得较为准确的结果。

实施例2

模拟高温合金线性摩擦焊接头CT试样的扩展行为，本实施例子的具体方法包括以下步骤：

(1)进行高温合金线性摩擦焊的模拟，具体内容同实例1；

(2)确定云图分区，依据云图绘制草图，具体内容同实例1；

(3)建立接头裂纹疲劳扩展CT模型，具体内容与实例1相近，有如下差别：

在part模块建立几何模型，CT试样的基本尺寸同实例1，不同之处为本实例中裂纹需要单独建立几何模型，选用二维可变形体，选择直线，长度为3mm。

在property模块定义材料属性参数，包括弹性属性和损伤参数，弹性属性同实例1。损伤准则中勾选最大主应力损伤(Maxps损伤)，数值设置为1.202E⁹，损伤演化准则设为按照能量判定损伤，线性软化，勾选幂法则模式，三个方向的断裂能均填136887J/m³，损伤稳定粘性系数设为5E^-5；

在assembly模块将CT模型和裂纹模型装配在一起，均设为非独立；

在step模块创建分析步，选择direct cyclic分析步，循环周期设为0.2s，增量步的类型勾选固定选项，最大增量步数设置为100000，增量步大小为0.05，最大迭代次数设置为10次，傅里叶级数相关参数设定为：初始值设为20，最大值设为50，增量设为5，勾选包含低周疲劳载荷分析选项，循环增量的最小值设置为1，最大值设置为1000，最大循环数设置为150000，损伤容差系数设置为1.1；

在interaction模块中设置裂纹属性，裂纹类型选择XFEM，允许裂纹扩展，选择裂纹存在区域及裂纹尖端；

在load模块设置载荷与边界条件，集中力的数值选择5E⁶ N，选择周期型幅值作为载荷的加载方式，圆频率设置为31.4，开始时间为0.05，初始幅值为0.51；

在mesh模块中设置网格属性及划分网格，模型的单元类型同实例1步骤3。全局尺寸设为2.5mm，CT试样中心位置的网格尺寸设为0.33mm，三种分区分别含有10121，12732，10116个网格.

在job模块提交作业，获得高温合金线性摩擦焊接头CT试样的裂纹扩展结果。

此实例的结果如图7和表2所示，结果表明：无初始应力条件下裂纹近似以一条直线的路径进行扩展，三种分区情况下裂纹开始扩展的循环次数大体相同。当引入焊后残余应力后，可以发现裂纹扩展行为出现明显的差别，裂纹在线性摩擦焊后多向残余应力的影响下，偏转的路径及长度有明显的差别，本实例②中裂纹所在位置拉应力较高，且周围完全处于拉应力状态下，裂纹起始速度较早，裂纹扩展的速度较快，为性能薄弱处，而另外两个区域扩展的路径中存在较大的压应力分量，减缓了裂纹的扩展，疲劳性能甚至优于母材(无应力条件)。

在高温合金线性摩擦焊的应用中，最重要的是获得优良性能的接头，并预测接头可能失效的位置及时间，本发明对线性摩擦焊和CT试样进行顺序模拟，为研究接头断裂行为提供了一个新的思路。

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。

表1实例1所得应力强度因子的计算结果

表2实例2所得裂纹开始扩展的循环次数

Claims (4)

1.一种线性摩擦焊与其接头CT试样裂纹行为顺序模拟方法，其特征在于，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：

步骤2.6：设置网格属性并划分网格；

步骤2.7：根据前面子步骤的设置，进行分析，得到焊接接头形状的宏观变化和应力云图，并得到云图中各区的应力；

步骤3：确定CT试样选取位置，截取应力云图，在接头残余应力云图中截取3个应力集中的区域作为初始裂纹尖端位置作为3个区域，并在UG绘图软件中绘制应力云图草图；

步骤4：建立线性摩擦焊接头应力强度因子，计算CT试样模型，包括以下子步骤：

步骤4.1：建立CT试样的几何模型，并设置材料属性；

步骤4.2：创建静力通用分析步，设置CT试样的两个孔内表面与孔中心的耦合关系，对两个中心点分别施加集中力，上孔为向上(Y方向)的集中力，下孔为向下的集中力；

步骤4.3：设置网格属性并划分网格；提交作业并进行分析

步骤5：建立线性摩擦焊接头疲劳扩展CT试样模型，包括以下子步骤：

步骤5.1：建立CT试样几何模型，并建立作为初始裂纹的直线；

步骤5.2：设置材料属性，包括弹性属性和损伤属性参数；

步骤5.3：装配裂纹和分析CT试样模型，裂纹及CT试样均为非独立属性；

步骤5.4：创建direct cyclic分析步，用于模型的循环加载分析；

步骤5.5：设置裂纹属性，允许裂纹扩展；

步骤5.5：设置CT试样的两个孔内表面与孔中心的耦合关系，对两个中心点分别施加集中力，上孔为向上(Y方向)的集中力，下孔为向下的集中力；限制两孔作X方向的位移和X-Y平面内的转动，将步骤2中得到的各区的应力值直接赋予到相应的分区中；

步骤5.6：进行网格划分，

步骤5.7：提交作业并进行分析；将3处分区的有、无应力的CT试样扩展行为进行对比，分析接头焊后残余应力对裂纹扩展的影响。

2.如权利要求1所述的一种线性摩擦焊与其接头CT试样裂纹行为顺序模拟方法，其特征在于，所述步骤2.2中，选用Johnson-Cook本构模型，包含的参数为：A，B，n，m，T_m、T_r，其中A和B为应变硬化参数，n为应变硬化幂指数，m为热软化幂指数，T_m为材料熔点，T_r为材料转变温度、硬化参数(选用Johnson-Cook硬化模型)、密度、热导率及比热，根据高温合金的属性选取各参数的数值，用以表征高温合金，将材料属性赋予可变形体焊件模型。

3.如权利要求1所述的一种线性摩擦焊与其接头CT试样裂纹行为顺序模拟方法，其特征在于，所述步骤2.6中，单元类型选择温度-位移耦合的CPE4RT四节点双线性位移-温度耦合平面应变四边形单元，并勾选减缩积分和沙漏控制，对可变形体划分网格时采用从焊件末端到接触面一端逐渐细化的划分方式。

4.如权利要求1所述的一种线性摩擦焊与其接头CT试样裂纹行为顺序模拟方法，其特征在于，所述步骤4.3和5.6中选用的单元属性为CPS4R，四节点线性平面应力四边形单元，采用沙漏控制和减缩积分，对按照应力分区的部分进行网格细化处理。

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