江金鋒

摘 要：為了研究合金鋼材料在靜拉伸載荷下裂紋擴(kuò)展特點(diǎn)，本文基于損傷累積理論，利用有限元軟件中的顯示動(dòng)力學(xué)求解器，對(duì)不帶初始缺陷的中心帶圓孔的合金鋼矩形板進(jìn)行了靜拉伸載荷下裂紋萌生及擴(kuò)展數(shù)值計(jì)算，模擬出了裂紋的出現(xiàn)及擴(kuò)展過(guò)程。

關(guān)鍵詞：損傷累積 合金鋼 顯示動(dòng)力學(xué)求解器 二次開(kāi)發(fā)子程序

中圖分類號(hào)：V25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）07（b）-0017-02

航空航天以及工程機(jī)械領(lǐng)域廣泛使用金屬合金制件，利用數(shù)值模擬研究金屬構(gòu)件在受載時(shí)的極限強(qiáng)度及其延性斷裂機(jī)理與過(guò)程不僅具有學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值，且對(duì)于構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)、減少物理試驗(yàn)、降低技術(shù)成本與風(fēng)險(xiǎn)等均具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。斷裂問(wèn)題是一個(gè)幾何及材料非線性問(wèn)題[1]，裂紋從萌生到擴(kuò)展可以被認(rèn)為是材料從出現(xiàn)屈服開(kāi)始就出現(xiàn)損傷，損傷繼而不斷累積的一個(gè)過(guò)程。本文假設(shè)合金鋼材料損傷累積過(guò)程是線性的，即損傷的累積與塑性應(yīng)變之間為線性相關(guān)，那么相應(yīng)的損傷累積方程為：

本文基于以上損傷累積的理念基礎(chǔ)，對(duì)一塊中心帶圓孔的合金鋼材料完成了考慮損傷累積以及不考慮損傷累積的靜拉伸載荷下斷裂過(guò)程數(shù)值模擬。

1 前處理[2]

1.1 幾何模型

合金鋼板尺寸為200×60×5（mm），中間圓孔直徑D=2.5mm，鋼板不帶初始缺陷。

1.2 邊界約束及加載方式

本例中采用位移加載方式。對(duì)板的一端面施加固支約束，在板的另一端面施加平行于合金鋼板長(zhǎng)邊方向的位移載荷。

1.3 材料參數(shù)

本文所選用合金鋼為典型合金鋼，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，初始屈服應(yīng)力為480MPa。

1.4 有限元網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分鋼板邊緣向孔中心單元從大到小，孔邊單元尺寸為0.3mm，鋼厚度方向整個(gè)模型設(shè)定統(tǒng)一的單元尺寸0.3mm。

2 計(jì)算結(jié)果

本文借助于有限元軟件顯示動(dòng)力學(xué)求解器，利用軟件的二次開(kāi)發(fā)子程序?qū)p傷累積與本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行耦合。這樣既解決了材料破壞導(dǎo)致的收斂問(wèn)題，同時(shí)又兼顧了損傷不斷演變。

加載后合金鋼板材的應(yīng)力云圖及本構(gòu)關(guān)系演變?nèi)缦隆?/p>

2.1 結(jié)果云圖對(duì)比

結(jié)果云圖對(duì)比如圖1、圖2所示。

2.2 本構(gòu)關(guān)系演變對(duì)比

從圖3可以看出，材料損傷之后，其本構(gòu)關(guān)系就開(kāi)始變化，明顯區(qū)別于不考慮損傷累積的本構(gòu)關(guān)系。因此，損傷累積與材料本構(gòu)的變化是密切相關(guān)的，也印證了將損傷演變過(guò)程引入本構(gòu)演變過(guò)程的合理性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文借助于有限元軟件顯示動(dòng)力學(xué)求解器以及其二次開(kāi)發(fā)子程序?qū)辖痄摬牧显陟o拉伸載荷下的裂紋萌生及擴(kuò)展進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，得出了合金鋼板材的裂紋萌生及擴(kuò)展過(guò)程，并初步得出了材料本構(gòu)受損傷累積影響的結(jié)果。

金屬構(gòu)件在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中所受載荷并非是簡(jiǎn)單的靜拉伸載荷，更多的是疲勞等復(fù)雜載荷。因此，在后續(xù)應(yīng)開(kāi)展復(fù)雜受載條件下的裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬，提升工程實(shí)用性。

在有限元計(jì)算過(guò)程中，網(wǎng)格的大小影響著計(jì)算精度及計(jì)算效率。因此，后續(xù)還需計(jì)算不同尺寸單元，同時(shí)開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證，得出合理的單元尺寸，同時(shí)保證計(jì)算精度及計(jì)算速度。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊鋒平，孫秦.韌性金屬材料漸進(jìn)斷裂的有限元算法研究[J].金屬學(xué)報(bào)，2008，44（4）：489-494.

[2] 莊茁，張帆，岑松，等.ABAQUS非線性有限元分析與實(shí)例[M].北京：科學(xué)出版社，2005.endprint