萌生的案例
ANSYS 斷裂力學新功能之SMART自適應裂紋萌生分析
裂紋擴展是指材料在外界因素作用下裂紋萌生、生長的動態過程。對于不考慮奇異性的裂紋擴展分析，需要定義準則來確定裂紋萌生的初始位置。新版本中使用SMART（分離、變形、自適應和重劃分網格技術）分析裂紋擴展時增加了最大主應力準則去評估裂紋萌生的時間和位置。當滿足該準則時，裂紋自動以橢圓的形狀（目前只支持橢圓裂紋）和適當的尺寸插入到定義的裂紋區域，然后程序進行下一步的裂紋擴展計算。
以一個簡單的demo來描述SMART自適應裂紋萌生分析的計算步驟:
1、創建分析模型
如圖示緊湊拉伸試樣，一端固定，上下圓孔給定100N拉力，預測產生I形裂紋，最大主應力位置在開口前沿。
圖1 計算模型
2、建立裂紋產生區域節點組件
圖示模型中選擇最大主應力前沿一排節點作為裂紋產生區域的節點組件，并命名為CrkInitZone。
圖2 裂紋產生區域節點組件
3、對模型進行初步分析，最大主應力為61.5MPA，設定產生裂紋的臨界主應力為60MPA
圖3 沒有裂紋時分析，最大主應力云圖
4、在分析中插入如下命令流，定義裂紋產生準則和裂紋擴展計算選項
!! 定義最大主應力作為裂紋萌生準則，注意單位制
TB,CR KI,1（此處去掉“R”和“K”間的空格）
TBDATA,1,60
!! TB,CR KI,MAT_ID,NTEMP,NPTS（此處去掉“R”和“K”間的空格）
!! TBDATA,1,Par1
!!其中Par1是臨界最大主應力值;CR KI,自適應裂紋萌生準則;MAT_ID材料編號（此處去掉“R”和“K”間的空格）
!!
展開 北航《IJF》：國產二代鎳基單晶合金超高周疲勞裂紋萌生競爭機制
疲勞裂紋萌生于發生嚴重內氧化之處，氧元素在超高周疲勞過程中可擴散到裂紋尖端，造成尖端動態脆化，又促進了疲勞裂紋的擴展。圖 1右下角顯示，裂紋尖端附近γ′還發生了局部的筏化。此外研究表明再結晶并不會對DD6合金的超高周疲勞性能和裂紋萌生擴展機理產生影響。
圖
1 所有溫度下的超高周疲勞S-N數據圖，1100 ℃下裂紋從表面萌生、沿{001}面擴展（mode I）及1100 ℃下的氧化與局部筏化情況匯總，紅色箭頭指出了除主要源區以外的多個裂紋萌生位置。（圖片摘要：DOI：10.1016/j.ijfatigue.2021.106343）
圖 2以示意圖的方式，說明了超高周疲勞實驗過程中裂紋由內部萌生轉變為表面萌生的潛在機制。
圖
2 描述
超高周疲勞實驗過程中裂紋由內部萌生轉變為表面萌生的潛在機制的示意圖：（
a）富鋁內氧化的形成；（b）氧化輔助疲勞裂紋萌生；（c）氧化與疲勞交互作用下裂紋擴展。（圖 11：DOI：10.1016/j.ijfatigue.2021.106343）
致謝：
趙子華感謝國家自然科學基金
(91860110)
和國家科技重大專項
(2017-IV-0012-0049,J2019-VI-0022)
的資助。陳博感謝英國工程與物理科學研究委員會、
EPSRC
早期事業資助計劃
EP/R043973/1
的資助。此外陳博感謝北京航空航天大學的宮聲凱教授推動了此次合作。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。
展開 硬質涂層-金屬基體的疲勞裂紋萌生
一般來說，疲勞裂紋萌生階段占整個疲勞壽命的
90%
以上，是承載結構疲勞破壞的主要階段。因此，研究硬質涂層如何影響韌性金屬基體的疲勞裂紋萌生機制，進而建立理論來緩解甚至消除這種現象是非常必要的。
目前，硬質涂層對金屬基體疲勞性能不利影響的機理主要基于“缺口效應”模型。涂層一旦斷裂會在基體界面附近引起附加應力集中，不可避免地加速疲勞裂紋的萌生過程。根據該模型，涂層斷裂不會改變疲勞裂紋源的位置，只是促進了疲勞裂紋萌生過程，沒有改變疲勞裂紋萌生機制。
然而，基于該模型的一些實驗現象卻難以解釋。
首先，
涂層開裂引起基體疲勞斷口形貌的變化。例如，對于從基體內部萌生的疲勞裂紋萌生源，涂層開裂導致疲勞裂紋萌生源位置由內部向表面轉變，這被認為是加速基體疲勞失效的關鍵。這表明涂層開裂改變了疲勞裂紋萌生機制。
其次，
一些硬質涂層對基體的疲勞性能有積極的影響。
展開 A：異種金屬焊接接頭裂紋萌生和擴展的原位SEM研究
雖然有研究人員對異質接頭的組織和力學性能進行了大量研究，但異質接頭不同區域斷裂時裂紋萌生和擴展機制還不清楚，因此研究異質接頭斷裂行為就具有重要工程意義。
【成果簡介】
近日，北京科技大學的陸永浩研究員（通訊作者）在Materials Science and Engineering: A上發表了最新的研究成果“In-situ SEM study of crack initiation and propagation behavior in a dissimilar metal welded joint”。在該文中，通過原位SEM拉伸實驗研究了核電站異種金屬焊接接頭不同區域的斷裂機制。
展開 
二維孔邊裂紋萌生step by step ￥10
裂紋的萌生位置由計算結果決定。
5.劃分網格，定義載荷，提交job。
6.查看結果。
未開裂時：
裂紋萌生時：
基于無網格SPH法的納米壓痕仿真方法（分析裂紋的萌生及擴展） ￥1.99
基于無網格SPH法的納米壓痕仿真方法（分析裂紋的萌生及擴展）
建模分析流程：
用WB建立FEM幾何模型，用APD前處理，用LSPP進行femsph轉化，生成SPH粒子，進行虛粒子約束等便捷處理，定義接觸設置求解時間，定義裂紋損傷的輸出等，最后用UE軟件對K文件進行查看，替換硬脆材料的JH-2本構模型，檢查K文件正確性等。用LSDYNA對K文件求解，用LSPP查看結果，用ORIGIN對數據結果進行處理。
結果展示：
強度丨南航：航空發動機和燃氣輪機熱端部件的熱腐蝕-疲勞性能與壽命預測方法研究進展
對于未進行熱腐蝕的GH4169合金，疲勞裂紋主要在表面的滑移帶中萌生，然后沿{111}滑移面擴展。與其他鎳基高溫合金的情況類似，在裂紋萌生位置周圍可以觀察到大量的解理面[65,66]。對于熱腐蝕后的GH4169合金，疲勞裂紋主要從表面的熱腐蝕層萌生，裂紋萌生區周圍形貌較為光滑，未觀察到晶體學解理面。此外，從斷口上可以看出，熱腐蝕層的結構比較松散，由于熱腐蝕層的剝落，在裂紋萌生區的試樣表面形成了凹坑，如圖8(c）中第5幅圖所示。當裂紋穿過熱腐蝕層時，疲勞裂紋擴展特征與原始GH4169合金一致，呈現穿晶擴展，在疲勞裂紋擴展區可以觀察到明顯的疲勞條帶。斷口分析表明，熱腐蝕主要影響GH4169合金的疲勞裂紋萌生過程，但對疲勞裂紋擴展沒有影響，因此熱腐蝕導致GH4169合金疲勞壽命的降低主要與疲勞裂紋萌生過程有關。圖8(d）示意性地說明了熱腐蝕影響GH4169合金疲勞裂紋萌生過程，熱腐蝕影響疲勞裂紋萌生的因素包括以下幾個方面：（1）表面熱腐蝕層/氧化層剝落，降低了試樣的有效承載面積，增加了實際應力。（2）氯化物的揮發導致腐蝕坑的形成，表面熱腐蝕層的剝落形成凸起和起伏，引起應力集中，從而加速疲勞裂紋萌生。（3）氧化層中形成的裂紋或氧化層中已存在的微裂紋在疲勞載荷作用下通過硫化物層擴展進入基體，最終引起疲勞斷裂。在這種情況下，由于疲勞裂紋萌生階段較短或沒有，疲勞壽命會大大降低。（4）硫化層的硬度較低，表明該區域的變形可能發展得更明顯，導致應變局部化并加速裂紋萌生。
展開 【CAE案例】應力腐蝕開裂（SCC）的有限元仿真
圖3 開裂路徑的設置
應力腐蝕過程存在著三個階段：潛伏階段、裂紋萌生階段以及裂紋傳播階段。在潛伏階段中，晶體微結構受到應力作用和晶間腐蝕作用的影響，但是并沒有裂紋生成。在裂紋萌生階段中，裂紋開始生成，但是裂紋穿透深度很小。之后裂紋逐漸擴展，達到裂紋傳播階段，此時裂紋擴大至可以穿過整個晶間區域。有限元仿真的一個難點在于準確的判斷出不同的晶粒間所處的應力腐蝕的階段，為此相關研究人員開發出了一套如下圖所示的具體仿真流程。
圖4 應力腐蝕開裂仿真流程
仿真過程中可以通過不同晶粒之間的PH值判斷是否發生氧化。考慮到本研究是基于有限元的斷裂力學仿真，并沒有引入多物理場。氧化一般會發生在金屬與水的交界面上，當判斷晶粒間出現氧化后，會給晶粒間一個更小的臨界切應力，使得裂紋萌生的過程更容易發生。
首先，需要計算裂紋出現前晶體結構上的應力結果，再根據應力計算結果，基于開裂準則來判斷裂紋是否萌生。下圖中展示了（100）（111）（110）晶向交界處的平均等效應力計算結果。
圖5
晶體截面上平均等效應力的計算結果
再依據開裂準則可以判斷出裂紋是否萌生和傳播擴展，接下來就可以進一步對應力腐蝕開裂處的上下邊界進行平均等效應力計算。下圖展示了發生應力沿晶腐蝕后，每個高斯積分點上的等效應力計算值統計結果。
展開 正交異性鋼橋面板抗疲勞之策
常見鋼橋面板疲勞裂紋產生的原因及修復方法
U肋母材裂紋
U肋母材裂紋一般萌生橫隔板上過焊孔U肋側焊縫端部（圖1）或者萌生橫隔板弧形切口焊縫端部（圖2）。
圖1 U肋母材裂紋萌生于橫隔板上過焊孔處
圖2 U肋母材裂紋萌生橫隔板弧形切口處
原因分析
力學因素：當輪載作用在橫肋上方時，由于橫肋豎向彎曲變形，U 肋側板產生面外變形，受兩者之間角焊縫的約束，在圍焊端趾部產生很大的次彎曲應力。
構造因素：通常縱肋貫通，橫肋上設置弧形切口，橫肋與U肋兩側用角焊縫連接，這種幾何形狀造成很高的應力集中，而且組裝精度和窄小的過焊孔和弧形切口的圍焊等，確保焊接質量難度較大。
在荷載作用下并受到焊縫缺陷影響，很容易從弧形切口和過焊孔的焊縫圍焊端的焊趾處萌生裂紋，并逐漸擴展到U肋母材。
維修加固方法
1.當裂紋長度較短，在裂紋尖端鉆制止裂孔，限制裂紋繼續開裂。
2.當裂紋長度較長，在裂紋尖端鉆制止裂孔。由于裂紋沿焊縫發展后拐向 U 肋母材，位于焊縫位置的裂紋段應先氣刨并采用焊接修補處理，位于 U 肋母材上的裂紋采用栓接鋼板的方式對 U 肋進行補強。維修加固后照片見圖3。
展開 不同流道布置的平板式固體氧化物燃料電池蠕變損傷研究
為進一步分析在交叉流條件下平板式 SOFC 裂紋萌生時間，及使用壽命。圖 12 分析了平板式 SOFC在交叉流條件下蠕變 100 000 h 各構件損傷隨時間變化曲線，可以看出損傷也經歷了減速、恒速、加速三個階段，并經過 78 500 h 蠕變，上連接體最先達到臨界損傷值 0.99，裂紋萌生。
3 結論
全面考慮了質量、動量、熱量、電化學反應等多場耦合的共同作用，對平板式 SOFC 多通道多場耦合下的不均勻溫度場進行數值計算。詳細研究了同流、逆流以及交叉流三種氣體流向布置在不均勻溫度下的電池內部蠕變損傷及裂紋萌生位置。主要結論如下。
(1) 對平板式SOFC 不同流道布置下的三維多物理場耦合數值模型進行了計算，得到了不均勻溫度場分布，發現不同流道布置下溫度分布存在著顯著差異；逆流條件下溫度最低，交叉流條件下溫度最高，三種流動方式下溫度最小值均出現在氣體入口，最大值出現在氣體流道出口，模擬所得極化曲線與試驗數據吻合良好，證明了模型的有效性。
(2) 平板式 SOFC 蠕變 50 000 h 后同流條件下在兩側燃料入口附件出現兩處起裂位置；逆流條件下在燃料入口與出口附近共出現四處起裂位置；交叉流道布置未達到臨界損傷值，無裂紋產生。
(3) 通過對比同流、逆流、交叉流三種流道布置的電池蠕變損傷結果，發現在相同條件下，三種流動方式分別運行 19 800 h、24 000 h、78 500 h 后達到損傷臨界值，裂紋萌生。相比而言，交叉流道布置的平板式 SOFC 具有最佳的力學穩定性與最長的服役壽命。結果可為平板式 SOFC 實現長期高效穩定運行的商業化目標提供理論依據和數據支持。
參 考 文 獻
[1] 黃賢良，趙海雷，吳衛江，等. 固體氧化物燃料電池陽極材料的研究進展[J]. 硅酸鹽學報，2005，33(11)：109-115.
展開 EA1N 車軸疲勞裂紋的分析
當交變載荷作用于車軸時，產生的應力便會在刀花處不斷囤積，當其超過車軸的疲勞極限時，便在該位置萌生裂紋，并不斷向心部擴展，擴展過程中不同裂紋相互連接，最終導致車軸斷裂。
結論
⑴車軸的原材料、鍛造熱處理工序未對其疲勞性能產生不利影響。
⑵車軸機加工過程中，進給量的提高直接導致了車軸表層拉應力的增大，降低了車軸的疲勞極限。同時，表面粗糙度的過高又為裂紋提供了大量的萌生位置，最終使得車軸圓周表面多個位置產生疲勞裂紋，裂紋擴展過程中相互連接，進而發生斷裂。
噴丸強化表面的疲勞過程
疲勞試驗中觀測的現象表明：
⑴噴丸前的預應變減少了塑性應變速率；降低試驗溫度，則塑性應變降低；
⑵裂紋源通常在非金屬夾雜物附近，這是由于夾雜物局部區域造成了很高的應力集中；
⑶噴丸處理可推遲裂紋的萌生，而預應力噴丸對裂紋的萌生有更大的推遲作用，降低試驗溫度具有同樣效果。
裂紋萌生期依賴于抗拉強度，抗拉強度增加可使裂紋萌生時間增加，這種關系也適合于低溫的情況，但裂紋產生后，并不穩定擴展。這是由于隨著表面層殘余應力的增加，裂紋的擴展可被推遲到Ng(該點定義為裂紋穩定擴展至斷裂時的壽命)。隨著壓應力的增加，裂紋遲緩(Ng-Ni)增加，循環到斷裂的周次Nf也增加。Ni為裂紋萌生時的循環周次，Nf為循環至斷裂的周次。
同一表面處理狀態下，增加抗拉強度，疲勞壽命增加。同一抗拉強度下，預應力狀態的疲勞壽命增加。
疲勞壽命受臨界裂紋長度ac的限制，而臨界裂紋長度依賴于抗拉強度和溫度。降低溫度和增加抗拉強度都使臨界裂紋長度減少，當然，臨界裂紋長度也受加載水平影響。
對不同抗拉強度、試驗溫度和表面處理試樣疲勞后，試樣力學性能的變化(由疲勞加載所引起)如表4所示。
展開 高周疲勞與低周疲勞
局部應變壽命分析是計算小裂紋萌生時疲勞壽命的一種方法，是裂紋萌生的判據。
參考資料：
[1] 楊新華，陳傳堯
，疲勞與斷裂
[
M
].
武漢：華中科技大學出版社
, 2018
[2] F
E
-safe fatigue theory reference, [OL]. Dassault Systèmes, 2020
算例丨基于ABAQUS的滾子軸承保持架橫梁裂紋擴展仿真分析
滾子軸承在轉動過程中會在滾動體與保持架之間產生較大的沖擊載荷，導致應力集中分布在保持架橫梁的彎折位置，誘發保持架裂紋的萌生與擴展，影響軸承性能與壽命。針對這一問題，本案例建立了3D保持架橫梁有限元模型，仿真分析了保持架橫梁在連續沖擊載荷作用下的裂紋萌生與擴展過程，結果顯示，保持架末端裂紋呈近似45?擴展，結果為滾子軸承保持架結構設計提供了有益指導。
一、問題描述
滾子軸承在運行過程中，滾動體在載荷區推動保持架轉動，而保持架在非承載區推動滾動體轉動，滾動體與保持架之間的載荷具有作用時間短，載荷幅值大的沖擊特征，而滾動體與保持架的打滑加劇了兩者之間的沖擊程度，容易導致保持架橫梁在端部萌生裂紋與擴展而發生斷裂，影響滾子軸承的服役性能和壽命。如圖1所示，滾動體與保持架在區域A和B發生接觸，載荷分布面積較小，沖擊幅值較大，應力容易在區域A、B、C和D區域集中分布，導致該區域內裂紋萌生，在滾動體的反復沖擊作用下，裂紋擴展直至保持架橫梁斷裂。
圖1 保持架應力集中區域A、B、C和D
二、有限元建模
擴展有限元法(extended finite element method,XFEM)是1999年提出的一種求解不連續力學問題的數值方法, 它繼承了常規有限元法(CFEM)的所有優點, 在模擬界面、裂紋生長、復雜流體等不連續問題時特別有效, 短短幾年間得到了快速發展與應用.
展開 晶體塑性每日文章推薦（九）
基于作者提供的思路，可以嘗試使用huang程序＋udmgini子程序進行類似的模擬，并與ebsd對比研究，這里簡單介紹思路和注意事項
（1）模擬時需要指定xfem區域和允許裂紋擴展
（2）模擬時編寫程序把udmgini程序加入到huang原始晶體塑性和程序中
（3）xfem是網格敏感的，使用全積分點，并保證裂紋萌生區域網格足夠細化
（4）xfem和晶體塑性組合使用時容易造成數值的不穩定性，使用盡量小的時間步進行嘗試
（5）邊界條件對于初始裂紋的萌生和后續的擴展可能會有顯著影響，盡量應用周期性邊界條件
這里展示一個包含100個晶粒的二維FCC多晶模型在周期性邊界條件下的裂紋萌生和擴展情況
幾何模型：
定義xfem區域：
裂紋發展情況：
應力分布：
累計剪切分布：
展開 