1計算任務(wù)的描述

交變荷載作用下金屬板材及構(gòu)件的微動疲勞問題是復(fù)雜服役狀態(tài)下土木工程結(jié)構(gòu)及設(shè)備所面臨的主要挑戰(zhàn)和難題。本說明書首次提出了基于子模型和全局模型技術(shù)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(yīng)力作用下specimen的微動疲勞過程，并根據(jù)等效塑性應(yīng)變分布云圖識別出模型內(nèi)部和接觸表面最先發(fā)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(tài)和組構(gòu)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(yù)測其初始起裂壽命。

本計算任務(wù)書主要說明了利用Abaqus軟件完成的300次循環(huán)加載的微動疲勞模擬結(jié)果。

2 仿真計算采用的設(shè)備基本情況（CPU、內(nèi)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(nèi)存為128GB。

3 計算模型的處理技術(shù)

（1）子模型-全局模型耦合技術(shù)

（2）晶體塑性有限元模擬技術(shù)

圖1 計算模型設(shè)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(shù)。模型尺寸如圖1所示。

子模型微動疲勞模擬技術(shù)可歸納為如下步驟：(a)第一步，分別建立粗網(wǎng)格全局模型和局部區(qū)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(jié)果；(c)第三步，定義子模型邊界，設(shè)置各個分析步中的驅(qū)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(jié)果，驗證子模型設(shè)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(jié)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(qū)域范圍內(nèi)的全局模型, (c)子模型Mises應(yīng)力云圖和(d) 底部邊界應(yīng)力曲線。

基于圣維南原理，子模型的邊界應(yīng)充分遠離子模型響應(yīng)的感興趣區(qū)域，以便進行有效的子建模分析，但子模型邊界離所關(guān)注區(qū)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(jié)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(jié)果變量值及云圖變化與全局模型是否一致，如果結(jié)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(jié)果變量值及云圖變化與全局模型是否一致。當(dāng)豎向荷載P = 5800 N 施加完成后, 彈性域內(nèi)全局模型與子模型應(yīng)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(yīng)力云圖與子模型應(yīng)力云圖量值和分布狀態(tài)均一致。此外，子模型底部邊界處的應(yīng)力分布曲線與該部位全局模型應(yīng)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(yīng)力等值線和 (b) 在第 300 次循環(huán)微動載荷下的等效塑性應(yīng)變分布。

當(dāng)加載到第300次軸向加載應(yīng)力(axial bulk stress σ_A)最大時(t=30s)，計算模型應(yīng)力及有效塑性應(yīng)變分布見圖3。如圖3(a)和圖3(b)所示，我們發(fā)現(xiàn)fretting sample內(nèi)部存在兩個塑性應(yīng)變極大值區(qū)域，一個位于pad-specimen 接觸界面，另一個位于specimen模型內(nèi)部。Pad和fretting specimen接觸面附近的應(yīng)力極值區(qū)域M和等效塑性應(yīng)變極值區(qū)域M’基本重合，二者均位于接觸后緣。在有效塑性應(yīng)變極值區(qū)域M’內(nèi)接觸表面處單元E1714塑性應(yīng)變值最大，達到4.68×10^-5，其左右兩個相鄰單元塑性應(yīng)變值也分別達到4.07×10^-5和3.70×10^-5。在模型內(nèi)部有效塑性應(yīng)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(yīng)變值達到5.648×10^-4。

6 結(jié)論

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