1計算任務的描述

交變荷載作用下金屬板材及構件的微動疲勞問題是復雜服役狀態下土木工程結構及設備所面臨的主要挑戰和難題。本說明書首次提出了基于子模型和全局模型技術的微動疲勞有限元模擬方法，并利用晶體塑性有限元方法模擬了pad和軸向體應力作用下specimen的微動疲勞過程，并根據等效塑性應變分布云圖識別出模型內部和接觸表面最先發生起裂的薄弱部位。我們所提出的方法考慮了試樣晶粒尺寸、形態和組構等細觀特征，克服了宏-細觀尺度耦合問題，可從物理層面分析試樣的微動疲勞特征并預測其初始起裂壽命。

本計算任務書主要說明了利用Abaqus軟件完成的300次循環加載的微動疲勞模擬結果。

2 仿真計算采用的設備基本情況（CPU、內存等）

計算采用移動工作站Dell Precision 7550，CPU為至強W-10885M四核處理器；內存為128GB。

3 計算模型的處理技術

（1）子模型-全局模型耦合技術

（2）晶體塑性有限元模擬技術

圖1 計算模型設計（a為接觸半寬）

計算模型采用了子模型-全局模型耦合技術。模型尺寸如圖1所示。

子模型微動疲勞模擬技術可歸納為如下步驟：(a)第一步，分別建立粗網格全局模型和局部區域細化的子模型，并沿子模型邊界部位切割全局模型；(b)第二步，對宏觀全局模型進行微動疲勞分析，并保存子模型邊界附近的分析結果；(c)第三步，定義子模型邊界，設置各個分析步中的驅動變量(driven variables)，并對細觀子模型進行微動疲勞分析；(d)第四步，比較全局模型和子模型在子模型邊界附近的分析結果，驗證子模型設置的有效性。

 

4 方法計算的機時耗費情況

計算耗費時間約20個小時。

 

5仿真計算的結果分析

圖2 豎向荷載作用下，試驗的(a)全局模型, (b)子模型區域范圍內的全局模型, (c)子模型Mises應力云圖和(d) 底部邊界應力曲線。

基于圣維南原理，子模型的邊界應充分遠離子模型響應的感興趣區域，以便進行有效的子建模分析，但子模型邊界離所關注區域的距離為多少才合適尚無定論。因為建立子模型時沒有一個明確的標準來保證結果有意義，因此需要用戶自己判斷子模型建立的正確性。如何判斷子模型建立的正確性，一般的方法是查看子模型邊界附近的結果變量值及云圖變化與全局模型是否一致，如果結果一致，則認為該子模型是有效的。對于微動疲勞子模型而言，需要查看子模型邊界附近的結果變量值及云圖變化與全局模型是否一致。當豎向荷載P = 5800 N 施加完成后, 彈性域內全局模型與子模型應力分布如圖2所示。圖2(b)和2(c)可見，子模型左、右邊界處的全局模型應力云圖與子模型應力云圖量值和分布狀態均一致。此外，子模型底部邊界處的應力分布曲線與該部位全局模型應力分布曲線重合。由此可見，本文所采用的子模型分析方法是合理有效的。

 

圖3  (a) 應力等值線和 (b) 在第 300 次循環微動載荷下的等效塑性應變分布。

當加載到第300次軸向加載應力(axial bulk stress σ_A)最大時(t=30s)，計算模型應力及有效塑性應變分布見圖3。如圖3(a)和圖3(b)所示，我們發現fretting sample內部存在兩個塑性應變極大值區域，一個位于pad-specimen 接觸界面，另一個位于specimen模型內部。Pad和fretting specimen接觸面附近的應力極值區域M和等效塑性應變極值區域M’基本重合，二者均位于接觸后緣。在有效塑性應變極值區域M’內接觸表面處單元E1714塑性應變值最大，達到4.68×10^-5，其左右兩個相鄰單元塑性應變值也分別達到4.07×10^-5和3.70×10^-5。在模型內部有效塑性應變最大單元位于接觸中線附近、specimen表面以下1.28 mm深度處N點(所在單元為E2608)，其等效塑性應變值達到5.648×10^-4。

 

6 結論

我們采用的子模型-全局模型耦合技術可以較好地克服模型尺寸限制和存儲能力制約，實現宏-細觀耦合微動疲勞模擬。