一种含裂纹的超声疲劳缺口试样设计方法

本发明涉及金属材料超高周疲劳性能分析，尤其涉及一种含裂纹的超声疲劳缺口试样设计方法。

背景技术：

1、随着现代机械装备的高速、长寿命和高可靠性发展要求，许多关键零部件的疲劳寿命早已远远超出千万周次，属于超高周疲劳研究范畴。常规疲劳试验机所能提供的循环载荷频率一般低于20khz，开展超高周疲劳试验分析周期长，成本高。超声谐振技术作为研究金属材料超高周疲劳性能最有效的手段，其通过计算机控制超声发生器、换能器和变幅杆等将高频交流电转换成高频机械振动(固有频率一般为20khz左右)，连接超声疲劳试样发生共振，获得超高周疲劳试验所需位移和载荷水平。超声疲劳试样对于实现超声疲劳试验系统共振、获得适宜的应力加载水平等都极为关键。

2、金属材料超高周疲劳应力寿命曲线(疲劳裂纹扩展速率曲线)一般可以分为疲劳裂纹萌生、扩展和断裂3个阶段。其中，裂纹扩展包括前期微裂纹扩展阶段和后期稳定扩展。由于高频、低幅加载特征，材料前期呈现极低的裂纹演变速率，同时裂纹变形特征受微观结构和外载荷影响较大，萌生和扩展都存在较大的分散性和随机性，缺陷演化过程极为复杂。疲劳裂纹萌生特征区和初始微裂纹扩展区消耗的寿命要占总疲劳寿命的95％以上。此时，对于该阶段的研究将大大区别于传统疲劳领域。然而，目前常规超高周疲劳试样类型和试验方法决定了超高周疲劳试验研究仍偏向于疲劳裂纹萌生过程的唯象观察和表征，以及依赖传统断裂力学分析思想为裂纹稳态扩展提供归纳分析的数值基础，而裂纹前期扩展作为超高周疲劳前期材料变形的重要阶段还缺乏针对性的试验探索。

3、含裂纹或缺口的试样作为疲劳试验常用的试样类型，用于评估材料或结构在具有特定缺口或预制裂纹缺陷下的疲劳行为，可以更真实地模拟许多实际工程材料中由于杂质和制造缺陷导致的应力集中情况、初始裂纹扩展以及结构断裂等情况。同时，基于试样缺口处的应力集中，可以实现预制裂纹优先扩展，大大缩小实际试件的有效测量范围，并节省试验时间。而目前针对含缺口及裂纹缺陷的疲劳试验仍处于传统疲劳范畴，极少涉及超高周疲劳领域。因此，发展一种含裂纹的超声疲劳缺口试样设计方法，对于理解材料的高频疲劳行为和裂纹缺陷演变状态，研究结构的超高周疲劳性能和寿命预测具有重要意义。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明基于工程实际和试验目标，结合模块化编程思想，提出了一种含裂纹的超声疲劳缺口试样设计方法，为含预制裂纹的超高周疲劳分析提供试验基础。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、本发明所提出的一种含裂纹的超声疲劳缺口试样设计方法，包括以下步骤：

4、s1、根据试验要求和常用超声疲劳试样解析设计方法，确定常规试样类型、材料、所需缺口及裂纹特征；

5、s2、基于abaqus/python编写脚本，开展含缺口试样的有限元分析前处理和模态分析，确定其在试验所需振型下的固有频率；

6、s3、明确试样尺寸调整措施，并反馈到脚本程序，重新提交建模和模态分析，直至其所需振型下的固有频率满足试验设计频率要求；

7、s4、根据缺口试样尺寸和步骤s2的脚本编程，开展含缺口试样的有限元分析前处理工作，导出试样的有限元模型.inp文件；

8、s5、基于franc3d软件的pyf3d模块和python语言实现裂纹的生成、插入和含裂纹的缺口试样模型搭建，导出有限元模型full.inp文件；

9、s6、通过abaqus脚本编程读取含裂纹的缺口试样模型，并开展模态分析，确定其在试验所需振型下的固有频率以及试样尺寸调整措施；

10、s7、基于试样尺寸调整程序，反馈到abaqus脚本，重新提交建模、导入裂纹并开展模态分析，直至其所需振型下的固有频率满足要求的试验设计频率；

11、s8、开展稳态动力学响应有限元分析，输出试样位移、应力、应变的结果分布，验证该试样仍满足超声疲劳试验的谐振要求，最终完成含裂纹的超声疲劳缺口试样设计。

12、进一步的，所述步骤s2中，脚本程序具体包括：

13、s2.1、基于获得的缺口试样基本尺寸方案和试样类型进行几何建模；

14、s2.2、输入材料参数，包括材料的弹性模量、泊松比、密度以及结构阻尼；

15、s2.3、定义单元类型，根据其模型类型选择面单元或体单元；

16、s2.4、进行网格划分，试样结构简单，细化布种数量，直接划分网格；

17、s2.5、定义边界条件，超声疲劳试样的一端固定在超声疲劳试验系统的聚能器上，分析结构本身自由振动下的固有属性，即采用自由模态分析；

18、s2.6、设置模态分析步step1，选取线性摄动-频率定义模态分析步，采用lanczos求解器求解特征值，选取模态分析阶数，先设定提取20-30阶模态；

19、s2.7、提交模态分析任务job1，输出自由模态下试样的各阶固有频率和固有振型数据.dat文件。

20、进一步的，所述步骤s3中，含缺口试样的尺寸调整措施为微调谐振长度的过程，具体包括：在频率提取时，根据结构动力学分析中，响应一般与低阶模态关系密切，因此提取低阶模态来表达结构的动力响应；基于模态分析结果.dat文件，分析各阶模态下模型各坐标分量的参与系数，不同阶次下的振型是由同阶参与系数中较大值决定，以此判断主振型的阶次及作用方向；经过验证后提取符合试验要求振型下的模态提取阶数及其响应频率，并与设计频率进行对比，在实际可加工尺寸范围内，要求其频率误差越小越好；若该固有频率小于设计频率，减小试样谐振长度，若该固有频率大于设计频率，增加试样谐振长度；含缺口试样的尺寸调整后，重新建模，其材料参数、单元类型、网格划分、边界条件保持不变，提交模态分析，直至其所需振型下的固有频率满足试验设计频率。

21、进一步的，所述步骤s5具体包括：

22、s5.1、试样有限元模型.inp文件的读取；

23、s5.2、试样区域划分；将有限元模型划分为用于插入裂纹的局部区域，生成local模型，和无裂纹插入的其余整体部分，生成global模型；

24、s5.3、生成满足试验要求的裂纹缺陷；

25、s5.4、基于local模型和坐标调整，在对应位置插入裂纹缺陷，形成含裂纹的试样有限元模型；另外，试样局部区域由于裂纹的插入重新划分了网格，其余整体部分仍为原试样模型网格，最终导出模型的full.inp文件。

26、进一步的，所述步骤s6具体包括：读取含裂纹试样有限元模型full.inp文件，此时模型的材料、网格都已通过上述步骤进行确定；基于步骤s2下的模态分析脚本开展分析并提取符合试验要求振型下的模态提取阶数及其响应频率，并与要求的设计频率进行对比，在实际可加工尺寸范围内，其频率误差越小越好；制定含裂纹的缺口试样尺寸调整措施，其中，如果该固有频率小于试验设计频率，减小谐振长度；如果该固有频率大于试样设计频率，增加谐振长度。

27、进一步的，所述步骤s7具体包括：

28、s7.1、将微调后的谐振长度输入步骤s2下的abaqus脚本程序重新建模，其材料参数、单元类型、网格划分、边界条件保持不变，自动导出谐振长度微调后无裂纹试样有限元模型的.inp文件；

29、s7.2、基于franc3d脚本导入裂纹；通过修改franc3d软件脚本文件中对应的.inp文件名称，运行.py脚本程序，即可实现裂纹的自动插入；

30、s7.3、含裂纹试样模型的网格重新划分，导出该试样有限元模型full.inp文件；

31、s7.4、运行abaqus脚本文件，自动提交模态分析，并提取模态分析结果中的固有频率及固有振型，直至其所需振型下的固有频率满足试验设计频率要求。

32、进一步的，所述步骤s8具体包括：基于步骤s7中最终开展模态分析的试样模型，保持其材料参数、网格属性不变，定义线性摄动下稳态动力学响应-直接法分析步step2，并给定试验所需动力学响应分析频率范围；在step2中根据试验工况定义边界条件和施加载荷；创建作业job2并提交计算；随后提取job2结果文件中，试样在所需设计频率下的谐响应分析结果，包括获得试样振动位移、应力、应变的分布规律；若试验要求试样在超声振动载荷下只承受纵向拉压载荷，即形变只沿着轴向进行，没有出现其它的弯曲和扭转等混杂的振动叠加，试验则需要满足在超声振动频率下，端部的振幅最大，应力应变最小，中心截面的振幅最小，应力应变最大，最危险截面为中心最细截面；此时，表明该试样仍满足超声疲劳试验谐振要求，含裂纹的超声疲劳缺口试样设计完成。

33、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

34、1、本发明方法适用于多种含裂纹超声疲劳缺口试样的设计，丰富了超声疲劳试样类型和超高周疲劳试验方法。对于超高周循环加载工况下裂纹作用状态分析、初始裂纹扩展试验研究、超高周疲劳缺陷演变过程探索等都具有实际意义。

35、2、本发明基于python语言充分发挥各分析软件优势性能，分别实现了有限元前后处理、含裂纹试样模型搭建、尺寸调整等重复性过程的模块化编程，极大提高了含裂纹超声疲劳缺口试样的设计效率和精度，有助于提高试验的准确性。

36、3、本发明基于franc3d软件脚本编程构建疲劳裂纹试样模型，可以实现多种类型及特征的裂纹插入、复杂裂纹模型的网格重新划分以及含裂纹有限元模型的重构，极大简化了常规有限元方法下的裂纹定义和分析步骤，为超声疲劳试验预制裂纹扩展分析提供模型基础。

37、4、本发明通过在缺口根部预制裂纹，基于试样缺口处的应力集中，以实现预制裂纹优先扩展，大大缩小实际试件的有效测量范围，并降低试样由于其他缺陷或外部因素造成的提前断裂，可以有效节省试验时间，并提高试验成功率。