應(yīng)力腐蝕仿真的案例
【CAE案例】應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）的有限元仿真
圖2 晶體的有限元建模
應(yīng)力腐蝕有兩種不同的類型，一種是沿晶腐蝕，另外一種是穿晶腐蝕，穿晶腐蝕的機(jī)理更加復(fù)雜。目前有限元仿真可以對(duì)沿晶應(yīng)力腐蝕的過程做出仿真。首先需要確定所有晶粒之間的邊界，從而進(jìn)一步在仿真中得到發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的路徑。如下圖所示找出了所有的晶體邊界。
圖3 開裂路徑的設(shè)置
應(yīng)力腐蝕過程存在著三個(gè)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(jié)構(gòu)受到應(yīng)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(kuò)展，達(dá)到裂紋傳播階段，此時(shí)裂紋擴(kuò)大至可以穿過整個(gè)晶間區(qū)域。有限元仿真的一個(gè)難點(diǎn)在于準(zhǔn)確的判斷出不同的晶粒間所處的應(yīng)力腐蝕的階段，為此相關(guān)研究人員開發(fā)出了一套如下圖所示的具體仿真流程。
圖4 應(yīng)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(fā)生氧化。考慮到本研究是基于有限元的斷裂力學(xué)仿真，并沒有引入多物理場(chǎng)。氧化一般會(huì)發(fā)生在金屬與水的交界面上，當(dāng)判斷晶粒間出現(xiàn)氧化后，會(huì)給晶粒間一個(gè)更小的臨界切應(yīng)力，使得裂紋萌生的過程更容易發(fā)生。
首先，需要計(jì)算裂紋出現(xiàn)前晶體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力結(jié)果，再根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，基于開裂準(zhǔn)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(yīng)力計(jì)算結(jié)果。
圖5
晶體截面上平均等效應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果
再依據(jù)開裂準(zhǔn)則可以判斷出裂紋是否萌生和傳播擴(kuò)展，接下來就可以進(jìn)一步對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂處的上下邊界進(jìn)行平均等效應(yīng)力計(jì)算。下圖展示了發(fā)生應(yīng)力沿晶腐蝕后，每個(gè)高斯積分點(diǎn)上的等效應(yīng)力計(jì)算值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
展開 螺旋管的橢圓型缺陷應(yīng)力腐蝕仿真 ￥1000
應(yīng)力腐蝕是指在特定應(yīng)力條件下，金屬材料遭受腐蝕破壞的現(xiàn)象。它是由金屬表面與介質(zhì)接觸時(shí)的化學(xué)反應(yīng)和材料內(nèi)部的應(yīng)力相互作用導(dǎo)致的。應(yīng)力腐蝕通常發(fā)生在金屬材料表面受到應(yīng)力作用的情況下，同時(shí)接觸有特定的化學(xué)介質(zhì)。應(yīng)力可以來自外界應(yīng)力（如拉伸、彎曲、擠壓等），也可以是由材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力引起的。化學(xué)介質(zhì)可以是溶液、氣體或其它特定的環(huán)境條件。應(yīng)力腐蝕的破壞是一種在金屬材料表面出現(xiàn)局部腐蝕和裂紋的形式。這種破壞往往比較隱蔽，因?yàn)樗ǔＯ拗圃?em>應(yīng)力集中的區(qū)域，如焊縫、金屬接頭或應(yīng)力集中點(diǎn)等。隨著時(shí)間的推移，這些裂紋可能會(huì)擴(kuò)展并最終導(dǎo)致材料的完全破壞。
本案例建立了一帶有橢圓形缺陷的螺旋管模型，如圖1所示，基于COMSOL軟件的固體力學(xué)模塊和二次電流分布模塊模擬仿真了螺旋管在10年腐蝕期間下的應(yīng)力分布和腐蝕厚度，仿真結(jié)果如圖2所示。
圖1 幾何模型
應(yīng)力分布
腐蝕厚度
圖2 仿真結(jié)果
感興趣的朋友，歡迎交流模型！
展開 應(yīng)力腐蝕是個(gè)什么東西？
材料或零件在應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的共同作用下引起的開裂稱為應(yīng)力腐蝕開裂，這是應(yīng)力與腐蝕聯(lián)合作用的結(jié)果。如果只有一個(gè)方面，應(yīng)力或者介質(zhì)的作用，破壞不會(huì)發(fā)生，但當(dāng)二者聯(lián)合作用時(shí)，卻能很快發(fā)生開裂。因此，發(fā)生應(yīng)力腐蝕時(shí)，應(yīng)力是很低的，介質(zhì)的腐蝕性也是很弱的，也正由于此，應(yīng)力腐蝕經(jīng)常受到忽視，導(dǎo)致“意外”事故不斷發(fā)生，造成巨大危害和損失。
◆分類
1、點(diǎn)腐蝕
是一種導(dǎo)致腐蝕的局部腐蝕形式。
2、晶間腐蝕
晶粒間界是結(jié)晶學(xué)取向不同的晶粒間紊亂錯(cuò)合的邊界，因而，它們是鋼中各種溶質(zhì)元素偏析或金屬化合物（如碳化物和δ相）沉淀析出的有利區(qū)域。因此，在某些腐蝕介質(zhì)中，晶粒間界可能先行被腐蝕乃是不足為奇的。這種類型的腐蝕被稱為晶間腐蝕，大多數(shù)的金屬和合金在特定的腐蝕介質(zhì)中都可能呈現(xiàn)晶間腐蝕。
3、縫隙腐蝕
是局部腐蝕的一種形式，它可能發(fā)生于溶液停滯的縫隙之中或屏蔽的表面內(nèi)。這樣的縫隙可以在金屬與金屬或金屬與非金屬的接合處形成，例如，在與鉚釘、螺栓、墊片、閥座、松動(dòng)的表面沉積物以及海生物相接觸之處形成。
4、全面腐蝕
是用來描述在整個(gè)合金表面上以比較均勻的方式所發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象的術(shù)語。當(dāng)發(fā)生全面腐蝕時(shí)，材料由于腐蝕而逐漸變薄，甚至材料腐蝕失效。不銹鋼在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿中可能呈現(xiàn)全面腐蝕。全面腐蝕所引起的失效問題并不怎么令人擔(dān)心，因?yàn)椋@種腐蝕通常可以通過簡(jiǎn)單的浸泡試驗(yàn)或查閱腐蝕方面的文獻(xiàn)資料而預(yù)測(cè)它。
◆特點(diǎn)
1、造成應(yīng)力腐蝕破壞的是靜應(yīng)力，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，而且一般是拉伸應(yīng)力。
2、應(yīng)力腐蝕造成的破壞，是脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。
3、只有在特定的合金成分與特定的介質(zhì)相組合時(shí)才會(huì)造成應(yīng)力腐蝕。
展開 技術(shù) | 影響鋁合金應(yīng)力腐蝕的主要因素有哪些？
而不同的應(yīng)力作用會(huì)產(chǎn)生不同的效果，交變應(yīng)力和環(huán)境共同作用產(chǎn)生腐蝕疲勞，它和固定應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕破裂通常有明顯區(qū)別。通常腐蝕疲勞比應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的后果更嚴(yán)重。此外，加載速度的不同也會(huì)影響鋁合金應(yīng)力腐蝕的敏感性。（來源：鋁友社區(qū)）
電偶腐蝕現(xiàn)象的仿真分析
在腐蝕分析中，我們經(jīng)常研究的腐蝕表面所具有的電氣連接可不像控制電流或電壓那么簡(jiǎn)單。相反，電極表面可能直接短路連接到另一個(gè)電極，例如單樁與過渡連接件之間的電氣連接。在本篇博客文章中，我們將討論如何在 COMSOL 軟件中使用適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件來描述這些電極和外部短路。
短路和電偶腐蝕仿真
在之前的博客文章中，我們討論了鋰離子電池短路的建模，我們當(dāng)時(shí)分析了一個(gè)被鋼針刺穿而產(chǎn)生短路的電池，并直接在幾何中繪制了穿過鋼針的電流路徑。
電偶腐蝕 是另一種系統(tǒng)，金屬表面之間的電氣連接起著非常重要的作用。在電偶腐蝕中，兩種具有不同電化學(xué)反應(yīng)活性的金屬處于電接觸狀態(tài)，從而提供一條電流路徑，使其中一種金屬腐蝕，而化學(xué)物質(zhì)（通常是溶于水的氧）在不活潑金屬端被還原。
舉例來說，為了模擬電偶腐蝕，我們可以選擇使用與低碳鋼連接的鎂合金。由于鎂具有負(fù)值較大的（氧化）腐蝕電位，因此它會(huì)優(yōu)先腐蝕。經(jīng)過一段時(shí)間后，鎂電極材料被腐蝕。
電解質(zhì)電位分布（彩色表面）和電流密度（箭頭）。電解質(zhì)電流從腐蝕的鎂合金（右）流向低碳鋼（左）。
與電解質(zhì)相比，金屬具有非常高的電導(dǎo)率，因此我們通常認(rèn)為金屬具有均勻電位。如果兩種金屬相互連接，則整個(gè)表面的電位是恒定的，這是電偶腐蝕的特征條件，即電極之間沒有外加電壓。相反，電化學(xué)電池由于兩種金屬不同的電化學(xué)環(huán)境和反應(yīng)活性而發(fā)生極化。這種反應(yīng)性差異產(chǎn)生了不同金屬上電位不同的雙電荷層。
為了方便起見，我們經(jīng)常使用該電位作為系統(tǒng)地，表示在電位 φs 下具有簡(jiǎn)單邊界條件的短路金屬。在電化學(xué)模型中，我們使用“電極表面”邊界條件在整個(gè)連接金屬表面設(shè)置 φs = 0。
從上圖可以明顯地看出，電解質(zhì)電位在整個(gè)表面上并不均勻，而是隨著“電極反應(yīng)”邊界條件中設(shè)置的局部腐蝕電位而變化，也可能取決于電極動(dòng)力學(xué)或質(zhì)量傳輸。
展開 壓氣機(jī)導(dǎo)向器葉片的鹽霧腐蝕仿真 ￥500
基于COMSOL軟件的二次電流模塊仿真了壓氣機(jī)導(dǎo)向器葉片的電極電位，并基于電流分布?xì)んw接口求解薄電解質(zhì)域內(nèi)的電解質(zhì)電位。電解質(zhì)膜的厚度取決于鹽負(fù)荷密度和相對(duì)濕度。氧溶解度和電解質(zhì)電導(dǎo)率也取決于相對(duì)濕度。使用與大氣腐蝕模型相同的表達(dá)式來分析電解質(zhì)膜厚、氧溶解度和電解質(zhì)電導(dǎo)率與相對(duì)濕度的相關(guān)性。仿真結(jié)果如圖2所示。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/c238539d1c4448d385a40815ac069aa7.png" alt="Untitled11.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>圖1 幾何模型</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/7ac3e5fa234a4211bc4cdf934005e009.png" alt="Untitled12.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>腐蝕電流密度</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/10f4d4177d534c529e4f9a7bd34aadd1.png" alt="Untitled13.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>電極電流密度和電勢(shì)分布</strong></p><p>感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎交流合作</p><p><br></p><p><br></p>
展開 基于COMSOL軟件仿真完整接頭電偶腐蝕 ￥800
<p>本案例基于COMSOL軟件的二次電流模塊和ALE技術(shù)模擬了焊接接頭的電偶腐蝕行為，仿真結(jié)果如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202203/imgs/5502d2461f514dcb9af49827704ba61b.gif" alt="Untitled2.gif"></p><p>感興趣的朋友，可下載模型源文件，歡迎交流</p><p><br></p>
展開 Moldex3D仿真分析之聚氨酯發(fā)泡產(chǎn)品的抵抗腐蝕性、隔熱和吸音效果
聚氨酯發(fā)泡產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是可以讓產(chǎn)品本身減輕重量，節(jié)省材料成本，并且增加使用舒適性，具有抵抗腐蝕性、隔熱和吸音的效果。
挑戰(zhàn)
? 成形條件難以掌控（熱力分析中的不穩(wěn)定狀態(tài)難以控制）
? 未知的發(fā)泡過程（對(duì)于溫度與壓力變化的不確定）
? 期望發(fā)展可靠的CAE技術(shù)
Moldex3D 解決方案
? 透過發(fā)泡動(dòng)力學(xué)分析不同產(chǎn)品所經(jīng)歷的化學(xué)發(fā)泡過程
? 支持發(fā)泡旋轉(zhuǎn)成型
? 模擬成型過程中的充填行為并預(yù)測(cè)最后的產(chǎn)品重量
? 估算氣泡大小、數(shù)目、密度分布等結(jié)果，評(píng)估產(chǎn)品減重比率
? 透過重力和逃氣位置分析可優(yōu)化澆口位置
? 可視化發(fā)泡動(dòng)力所影響的密度變化
? 可評(píng)估發(fā)泡轉(zhuǎn)化率與熔膠轉(zhuǎn)化率的影響
發(fā)泡轉(zhuǎn)化率 轉(zhuǎn)化率
應(yīng)用產(chǎn)業(yè)
? 汽車工業(yè)（儀表板，方向盤，座椅）
? 制冷工業(yè)（冰箱保溫層，保溫夾層）
? 制鞋工業(yè)（鞋底）
? 醫(yī)療工業(yè)
展開 一維線彈性應(yīng)力波在有限長桿中傳播（一維應(yīng)力波模擬仿真；應(yīng)力波在桿中傳播；應(yīng)力波基礎(chǔ)；固體中的應(yīng)力波） ￥49.99
一維線彈性應(yīng)力波在有限長桿中傳播（應(yīng)力波基礎(chǔ)；固體中的應(yīng)力波）
波動(dòng)是一種常見的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式。波動(dòng)是質(zhì)點(diǎn)群聯(lián)合起來表現(xiàn)出的周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。其成因是介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)受到相鄰質(zhì)點(diǎn)的擾動(dòng)而隨著運(yùn)動(dòng)，并將振動(dòng)形式由遠(yuǎn)及近的傳播開來，各質(zhì)點(diǎn)間存在相互作用的力。在可變形固體介質(zhì)中，對(duì)力學(xué)平衡狀態(tài)的擾動(dòng)表現(xiàn)為質(zhì)點(diǎn)速度的變化和相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的變化。由于可變形介質(zhì)的特性，當(dāng)固體中的某些部分受到擾動(dòng)因而處于力學(xué)上的不平衡狀態(tài)時(shí)，固體中的其他部分需要一定的時(shí)間才能感受到這種不平衡。當(dāng)固體發(fā)生振動(dòng)時(shí)，這種因應(yīng)力和應(yīng)變的變化而引起的擾動(dòng)以波的形式在固體中傳播。
展開 CAE仿真對(duì)汽車零部件的仿真分析（二）離合器熱應(yīng)力分析
汽車離合器的熱應(yīng)力和熱變形是汽車行業(yè)在可靠性設(shè)計(jì)中所關(guān)心的最基本的問題，通過CAE仿真指出汽車在高溫和相互作用力的條件下產(chǎn)生的集中應(yīng)力和變形等。仿真數(shù)據(jù)為汽車離合器產(chǎn)品的全生命周期設(shè)計(jì)和評(píng)估提供重要的參考依據(jù)，在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中提高可靠性、降低產(chǎn)品的損壞率、壓縮成本方面起到了顯著的作用。下面我們通過一個(gè)案例對(duì)汽車離合器熱應(yīng)力進(jìn)行分析。
案例分析工況：
將壓盤和摩擦片之間連接簡(jiǎn)化成綁定，兩個(gè)摩擦片的金屬部分螺栓連接簡(jiǎn)化為耦合連接，摩擦片金屬部分和從動(dòng)軸之間的螺栓連接簡(jiǎn)化成耦合連接，固定住耦合點(diǎn)。將整個(gè)模型由初始溫度20℃升溫到120℃，計(jì)算升溫后模型各部件的熱應(yīng)力和變形情況。
分析結(jié)果—應(yīng)力云圖：
從結(jié)果云圖上看，受熱之后，壓盤熱應(yīng)力最大位置位于壓盤前表面，摩擦片最大熱應(yīng)力位于兩摩擦片之間的面。
分析結(jié)果—變形量云圖：
從結(jié)果云圖上看，位移變形量較大的地方發(fā)生在壓盤邊緣，最大變形量為0.04595mm。
分析結(jié)果-位移變形云圖-X方向：
分析結(jié)果-位移變形云圖-Y方向：
分析結(jié)果-位移變形云圖-Z方向：
結(jié)果匯總：
摩擦片和壓盤最大熱應(yīng)力以及熱變形總結(jié)如下表。
總結(jié)：
通過對(duì)汽車離合器拉力強(qiáng)度分析，我們可以看出合理運(yùn)用CAE仿真技術(shù)，可以有效的解決汽車研發(fā)過程中一些技術(shù)上的難點(diǎn)和問題，縮短研發(fā)周期從而提升產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
展開 熱應(yīng)力仿真案例分享
仿真軟件可以幫助我們理解和優(yōu)化組件設(shè)計(jì)。任何一個(gè)仿真都需要基于實(shí)際應(yīng)用建立模型。建模使我們能夠足夠詳細(xì)地表征真實(shí)的現(xiàn)象，從而獲得特定應(yīng)用或組件的相關(guān)信息。本文將分享一個(gè) COMSOL 案例庫中的模型：渦輪靜葉片的熱應(yīng)力分析，并研究其中非常重要的熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力的影響。
高效的傳熱仿真
為了快速計(jì)算，我們可以預(yù)先定義渦輪靜葉片模型的傳熱，但并不具體求解。請(qǐng)注意，這里介紹的模擬標(biāo)準(zhǔn)可以是研究的最終目標(biāo)，也可以作為了解模型概況和驗(yàn)證所有設(shè)置是否一致的第一步。無論哪種情況，我都建議從建立簡(jiǎn)單的模型開始，在這個(gè)過程中可以通過設(shè)置不同的參數(shù)來輕松驗(yàn)證模型行為。此外，如果不需要幾個(gè)小時(shí)或好幾天才能獲得模擬結(jié)果，效果會(huì)更好。(這種計(jì)算只應(yīng)在經(jīng)過驗(yàn)證的初始模型作為實(shí)際生產(chǎn)前的最終模型進(jìn)行仿真時(shí)，或?yàn)榇_保質(zhì)量的最終模擬時(shí)運(yùn)行)。
靜葉片的幾何結(jié)構(gòu)，包括安裝細(xì)節(jié)、葉片及葉片內(nèi)的冷卻管道。
模擬渦輪靜葉片的熱應(yīng)力
讓我們以
渦輪靜葉片熱應(yīng)力分析模型
為例，來說明如何通過定義各種模擬細(xì)節(jié)來建立一個(gè)高效但仍能確保準(zhǔn)確性的模型。在這個(gè)案例模型中，定子由葉片內(nèi)的一根導(dǎo)管組成，流體通過導(dǎo)管流經(jīng)定子進(jìn)而冷卻結(jié)構(gòu)。由于靜葉片的速度很高，周圍環(huán)境和定子表面之間的熱量也會(huì)大量傳遞。
加快模型計(jì)算的關(guān)鍵是使用平均努塞爾數(shù)相關(guān)性，而不是通過模擬管道和葉片周圍的復(fù)雜流動(dòng)來估算流體和結(jié)構(gòu)之間的傳熱系數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或文獻(xiàn)查閱，可以找到能夠很好地反映熱交換過程的平均努塞爾數(shù)相關(guān)性。
預(yù)定義和用戶定義表達(dá)式
在靜葉片模型中，一些熱交換系數(shù)是利用經(jīng)典條件建立的，而模型的一些部分并不適合任何一個(gè)經(jīng)典的設(shè)置。因此，這部分需要經(jīng)過模擬條件驗(yàn)證的定制公式。對(duì)于經(jīng)典條件，
傳熱模塊
提供了預(yù)定義的相關(guān)關(guān)系。
展開 
Workbench瞬態(tài)熱應(yīng)力仿真
Workbench除了做穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力變形，還可以做瞬態(tài)熱應(yīng)力變形。熱雙金有兩個(gè)熱膨脹系數(shù)不同的金屬組成，熱膨脹系數(shù)越大，其為主動(dòng)層，帶動(dòng)被動(dòng)層受熱彎曲。
通過workbench瞬態(tài)熱模塊和瞬態(tài)結(jié)構(gòu)模塊可模擬該類情景。若考慮空氣對(duì)流對(duì)熱雙金表面溫度分布的影響，可使用Fluent與瞬態(tài)結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行熱應(yīng)力仿真。Workbench仿真搭建流程如下所示，
現(xiàn)假設(shè)兩個(gè)熱雙金體功耗不同，主動(dòng)層更大，在Fluent計(jì)算熱雙金瞬態(tài)溫度分布；接著將結(jié)果導(dǎo)入到瞬態(tài)結(jié)構(gòu)模塊；最后設(shè)置約束，這樣搭建完整的瞬態(tài)熱應(yīng)力仿真操作流程。
1-120s的仿真結(jié)果如下圖所示
僅為演示，提供一定參考意義。
展開 彈性模量隨應(yīng)力變化的引入及仿真 ￥500
本篇文檔以一多層路基為例，考慮了路基的面層（用粘彈性材料本構(gòu)模型）以及基層（采用線彈性本構(gòu)模型，彈性模量隨應(yīng)力變化而變化），在移動(dòng)荷載作用下，模擬了路基的應(yīng)力和變形。本模型的重點(diǎn)在于考慮了結(jié)構(gòu)的材料非線性，引入了彈性模量隨加載過程中結(jié)構(gòu)本身的應(yīng)力而變化的方程，即將E=f(sigmax,sigmay,sigmaz) 引入到本構(gòu)模型中，由于彈性模量隨應(yīng)力變化而變化，在每一步計(jì)算中，都需要將應(yīng)力結(jié)果提取并通過引入的方程計(jì)算得到新的彈性模量，將新計(jì)算的彈性模量重新代入本構(gòu)模型中進(jìn)行計(jì)算，反復(fù)迭代。基于COMSOL軟件，本案例仿真結(jié)果如下所示：
感興趣的朋友可下載模型，歡迎交流。
展開 常規(guī)巖土力學(xué)試驗(yàn)主應(yīng)力組成分析與疲勞仿真驗(yàn)證
摘 要：本研究通過數(shù)值計(jì)算和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)仿真的方式開展了對(duì)常規(guī)巖土力學(xué)試驗(yàn)主應(yīng)力組成分析與疲勞荷載的研究。進(jìn)行了常規(guī)巖土力學(xué)試驗(yàn)的仿真，并得出了主應(yīng)力分布特點(diǎn)。通過建立疲勞仿真計(jì)算模型，對(duì)試件進(jìn)行疲勞仿真驗(yàn)證，針對(duì)四組不同算例對(duì)試件的疲勞荷載進(jìn)行模擬分析。通過研究得出不同主應(yīng)力組合對(duì)試件的疲勞荷載有著一定影響。
關(guān)鍵詞：常規(guī);試驗(yàn);疲勞;組成分析;主應(yīng)力;巖土力學(xué);
1 常規(guī)巖土力學(xué)仿真中的主應(yīng)力分布特點(diǎn)
為實(shí)現(xiàn)對(duì)巖土力學(xué)試驗(yàn)的仿真，開展研究前，引進(jìn)Mohr-Coulomb（莫爾-庫倫強(qiáng)度理論）、Drucker-Prager(DP準(zhǔn)則），將其作為參照，進(jìn)行巖土材料在力學(xué)性能試驗(yàn)中應(yīng)力分布的研究[1]。
在此過程中，Mohr-Coulomb理論提出，材料發(fā)生破壞行為，大多屬于剪切破壞，在此種條件下，破壞面上存在剪應(yīng)力，而對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力可以用法向應(yīng)力函數(shù)表示，表達(dá)式如下：
式中：τf代表材料發(fā)生破壞時(shí)，破壞面上的剪應(yīng)力；f（σ）代表法向應(yīng)力函數(shù)。根據(jù)上述函數(shù)，可以確定巖土材料的莫爾破壞包絡(luò)線，如圖1所示。
圖1 巖土材料的莫爾破壞包絡(luò)線
圖1中，A、B代表破壞面的兩個(gè)莫爾圓；O1、O2代表兩個(gè)任意點(diǎn)莫爾圓半徑；M、N代表破壞面的垂直包絡(luò)線[2]。設(shè)定一個(gè)參數(shù)為巖土材料的屈服系數(shù)，將其表示為Q,Q的計(jì)算可以通過下述公式得到。
式中：Q代表屈服系數(shù)；O1代表任意點(diǎn)莫爾圓半徑；O1M代表圓心到包絡(luò)線距離。根據(jù)實(shí)際情況，應(yīng)明確Q的取值在0～1之間，當(dāng)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)Q的值>1時(shí)，說明在此種條件下，巖土材料樣件已在法向應(yīng)力作用下，達(dá)到了屈服破壞程度。
在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，參照DP準(zhǔn)則，進(jìn)行巖土材料屈服應(yīng)力的分析，在此過程中，可以將巖土材料的樣件假設(shè)為一個(gè)三維模型，模型在三個(gè)方向的主應(yīng)力構(gòu)成三維應(yīng)力空間[3]。
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由于溫度場(chǎng)會(huì)影響應(yīng)力分布，因此本示例采用了一個(gè)完全熱機(jī)械耦合模型。該模型由具有結(jié)構(gòu)和熱自由度的耦合場(chǎng)實(shí)體單元組成。模型包含兩塊矩形鋼板和一個(gè)圓柱形工具。在模型上施加了所有必要的機(jī)械和熱邊界條件。模擬分三個(gè)載荷步進(jìn)行，分別代表過程中的壓入、停留和移動(dòng)階段。
計(jì)算得出的摩擦熱生成量和塑性熱生成量表明，工具肩部與工件之間的摩擦是產(chǎn)生大部分熱量的原因。在板片的接觸界面處規(guī)定了一個(gè)粘結(jié)溫度，以此來模擬工具后面的焊接過程。當(dāng)接觸表面的溫度超過這個(gè)粘結(jié)溫度時(shí)，接觸狀態(tài)就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎辰Y(jié)狀態(tài)
