疲勞裂紋
關(guān)注創(chuàng)建者：violet_ 創(chuàng)建時(shí)間：2018-05-25
疲勞裂紋的視頻教程
ABAQUS疲勞分析專題-汽車懸置架疲勞分析-預(yù)制裂紋循環(huán)載荷下的疲勞裂紋擴(kuò)展-腐蝕鋼絲疲勞壽命計(jì)算等
預(yù)制裂紋循環(huán)載荷下的疲勞裂紋擴(kuò)展 本模塊將重點(diǎn)介紹如何在ABAQUS中模擬預(yù)制裂紋的疲勞擴(kuò)展。通過循環(huán)載荷作用下的裂紋擴(kuò)展分析，我們將探討裂紋增長過程中的關(guān)鍵參數(shù)，包括裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子、裂紋生長速率及其與材料疲勞性能的關(guān)系。學(xué)員將掌握如何在ABAQUS中建立合適的裂紋模型，并通過后處理模塊分析裂紋擴(kuò)展路徑和裂紋壽命，評估其對整體結(jié)構(gòu)安全性的影響。
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鋼軌表面裂紋的展分析，車輪疲勞裂紋擴(kuò)展，ABAQUS-FRANC3D聯(lián)合仿真
本視頻分為4小節(jié)，利用ABAQUS-FRANC3D聯(lián)合仿真的方法，講述了鋼軌三維表面疲勞裂紋的擴(kuò)展流程，加載方式為車輪滾過鋼軌裂紋位置，選用經(jīng)典的裂紋擴(kuò)展公式Paris公式，最大應(yīng)變能釋放率準(zhǔn)則，調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)使裂紋能按需求擴(kuò)展，得到裂紋擴(kuò)展壽命曲線，進(jìn)行損傷容限設(shè)計(jì)及剩余壽命評估。參數(shù)選取可參考相關(guān)文獻(xiàn)。視頻附件有本視頻操作的源文件。車輪表面疲勞裂紋擴(kuò)展方法類似。
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ABAQUS帶初始裂紋的節(jié)點(diǎn)低周疲勞裂紋擴(kuò)展
若有討論，請私信；若有錯(cuò)誤，請指教，并見諒，謝謝； 主要講解了ABAQUS中xfem帶預(yù)制裂紋的梁柱節(jié)點(diǎn)在低周（1000次）往復(fù)位移（1mm）載荷下產(chǎn)生的疲勞裂紋擴(kuò)展； 講解了部分參數(shù)意義以及paris理論在abaqus中部分參數(shù)的獲取（c3,c4）的兩種計(jì)算方法 講解了部分參數(shù)的意義及影響 本視頻主要講解建模及模型調(diào)試建議，若有錯(cuò)誤，請大家多多指教，謝謝
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疲勞裂紋的實(shí)例教程
1基本理論
在進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展計(jì)算時(shí)，兩款軟件的基本理論相同，均是基于Paris公式。不同的是，Abaqus僅提供了能量釋放率形式的Paris公式，即
而Marc還提供了應(yīng)力強(qiáng)度因子形式的paris公式。兩種公式形式下的參數(shù)C和m有所不同。
Abaqus通過下式判斷疲勞裂紋何時(shí)開始擴(kuò)展
而Marc則通過在分析工況中選中相應(yīng)的初始裂紋，通過設(shè)置多個(gè)分析工況，控制裂紋開始擴(kuò)展的時(shí)間。
2軟件分析過程
ABAQUS
Abaqus進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展分析時(shí)，分析步需選擇Direct cyclic。另需編輯關(guān)鍵字，輸入?yún)?shù)C、m等。
初始裂紋建模與其它類型的裂紋相似，通過擴(kuò)展有限元方式建立初始裂紋及實(shí)現(xiàn)裂紋的擴(kuò)展，因此初始裂紋需剛好穿過整數(shù)個(gè)單元，才能實(shí)現(xiàn)初始裂紋的準(zhǔn)確建模。Abaqus中，每次疲勞裂紋擴(kuò)展的距離為一個(gè)單元，然后軟件會以單元的長度和得到的能量釋放率，通過Paris公式計(jì)算出對應(yīng)的疲勞周次，直接跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算。
Abaqus軟件的疲勞裂紋擴(kuò)展分析暫不支持非線性，僅可定義裂紋面之間的接觸。
Marc
Marc軟件進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展分析時(shí)，與常規(guī)分析裂紋沒有太大差別，無需定義特殊的分析類型。初始裂紋建模和裂紋的擴(kuò)展則是通過網(wǎng)格重劃分實(shí)現(xiàn)。
Marc軟件中，每次疲勞裂紋擴(kuò)展的距離有兩種控制方式。方式1：直接由Paris公式計(jì)算出擴(kuò)展的距離，逐一計(jì)算各疲勞周次。
展開 形狀不規(guī)則裂紋的疲勞壽命預(yù)測技術(shù)
林曉斌 Roderick A.Smith
摘要 描述了一種能自動模擬任意面形裂紋疲勞擴(kuò)展的計(jì)算技術(shù)。該技術(shù)基于三維有限單元法和Paris疲勞裂紋擴(kuò)展速率方程，并具有網(wǎng)格隨裂紋擴(kuò)展重新自動生成的能力。技術(shù)的實(shí)用性通過幾個(gè)典型的工程裂紋模擬實(shí)例得到了說明。
關(guān)鍵詞 疲勞裂紋擴(kuò)展 損傷容限設(shè)計(jì) 應(yīng)力強(qiáng)度因子 有限元
中國圖書資料分類法分類號 TP202
1963年P(guān)aris和Erdogan［1］發(fā)表了一篇著名的論文，首次對疲勞裂紋擴(kuò)展速率和應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍之間的試驗(yàn)曲線進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，指出了金屬材料中裂紋的疲勞擴(kuò)展主要由應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍控制。盡管從那時(shí)起，以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的疲勞裂紋擴(kuò)展研究得到了迅速發(fā)展，但Paris和Erdogan建議的經(jīng)驗(yàn)公式目前仍然是計(jì)算工程裂紋疲勞擴(kuò)展壽命的主要工具。
工程中遇到的裂紋通常是形狀不規(guī)則裂紋，在疲勞載荷作用下，這些不規(guī)則裂紋又可能發(fā)生顯著的形狀變化。如何處理裂紋的形狀及其變化，一直是疲勞科學(xué)家和工程師想要解決的問題。當(dāng)前，裂紋的斷裂評定或剩余疲勞壽命計(jì)算一般需要預(yù)先假定裂紋的形狀，例如，假定表面裂紋為半橢圓形、埋藏裂紋為橢圓形、穿透裂紋為直線形。一些規(guī)范，如美國的ASME XI［2］，英國的BSI PD 6493［3］和中國的CVDA—84［4］等都給出了簡化裂紋的具體步驟。這些規(guī)則也建議了計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的方法，即通過假定裂紋在疲勞擴(kuò)展過程中的形狀，應(yīng)用Paris公式對裂紋前沿上的一個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，對于表面裂紋，這一特征點(diǎn)通常為裂紋深度點(diǎn)。大量試驗(yàn)已經(jīng)表明，這些規(guī)范所假定的裂紋形狀在許多情況下與實(shí)際不符。
筆者最近發(fā)展了一種計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的新技術(shù)。該技術(shù)能直接跟蹤預(yù)測疲勞裂紋的形狀變化，從而顯著提高了疲勞壽命的計(jì)算精度。
展開 因此，在熱加工過程中，也未產(chǎn)生不利于車軸疲勞的影響因素。
而對于機(jī)加工工序，因進(jìn)給量進(jìn)行了提高的調(diào)整，雖然對外形尺寸沒有影響，但必然會使車軸表層產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，降低了車軸本身的疲勞極限。而且，粗糙度過高使得刀花這種表面微觀缺陷得到一定程度的放大，進(jìn)而為疲勞裂紋提供了大量的萌生位置，增大了發(fā)生疲勞裂紋的可能性。當(dāng)交變載荷作用于車軸時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力便會在刀花處不斷囤積，當(dāng)其超過車軸的疲勞極限時(shí)，便在該位置萌生裂紋，并不斷向心部擴(kuò)展，擴(kuò)展過程中不同裂紋相互連接，最終導(dǎo)致車軸斷裂。
結(jié)論
⑴車軸的原材料、鍛造熱處理工序未對其疲勞性能產(chǎn)生不利影響。
⑵車軸機(jī)加工過程中，進(jìn)給量的提高直接導(dǎo)致了車軸表層拉應(yīng)力的增大，降低了車軸的疲勞極限。同時(shí)，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(gè)位置產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展過程中相互連接，進(jìn)而發(fā)生斷裂。
展開 涂層厚度約為
5μm
，呈致密柱狀晶結(jié)構(gòu)，拉
-
拉軸向疲勞測試應(yīng)力比為
0.1
，頻率
R=60 Hz
，正弦波形加載。
疲勞測試結(jié)果顯示涂層降低了鈦合金的疲勞極限，而對疲勞裂紋源的觀察可以看到，鈦合金試樣的疲勞裂紋源呈現(xiàn)典型的亞表面無缺陷疲勞裂紋源特征，而高應(yīng)力下鍍膜試樣的疲勞裂紋源呈現(xiàn)從膜基界面向基體內(nèi)部擴(kuò)展的河流狀花樣，這表明涂層開裂改變了基體的疲勞裂紋萌生機(jī)制，疲勞裂紋在界面處萌生，涂層裂紋未在界面處停止而滲透到基體中，涂層與基體之間的裂紋是連續(xù)的，涂層開裂主導(dǎo)的膜致基體解理開裂成為疲勞裂紋萌生的主要機(jī)制。低應(yīng)力下覆膜試樣的裂紋源呈現(xiàn)與基體材料疲勞裂紋源相似的亞表面無缺陷疲勞裂紋源特征，疲勞裂紋開始于次表面，涂層和基體中的裂紋是不連續(xù)的。基體滑移臺階導(dǎo)致涂層斷裂，在已被位錯(cuò)堆積擠壓的脆性α相上形成附加應(yīng)力集中，加速了亞表面疲勞裂紋萌生。
圖1 (a)疲勞試樣尺寸及(b)拉-拉軸向疲勞測試結(jié)果:帶有涂層鈦合金基體疲勞極限應(yīng)力顯著下降并且在某臨界應(yīng)力附件出現(xiàn)裂紋形核機(jī)制不同
圖2 不同循環(huán)應(yīng)力下的TiN-TC4試樣疲勞裂紋源形貌及位置統(tǒng)計(jì)結(jié)果：低于臨界應(yīng)力疲勞裂紋形核于界面附近的鈦合金基體中，高于臨界應(yīng)力裂紋形核于涂層/基體界面處
*感謝論文作者團(tuán)隊(duì)對本文的大力支持。
本文來自微信公眾號“材料科學(xué)與工程”。歡迎轉(zhuǎn)載請聯(lián)系，未經(jīng)許可謝絕轉(zhuǎn)載至其他網(wǎng)站。
展開 改進(jìn)的緊湊拉伸試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展分析 - ANSYS Workbench
本教程包括改進(jìn)的緊湊拉伸試樣的逐步疲勞裂紋分析。
步驟 1：概述
這項(xiàng)工作的主要目的是提出混合模式載荷下線性彈性材料中裂紋擴(kuò)展路徑的數(shù)值模型，以及研究在恒定幅值載荷條件下改進(jìn)的緊湊拉伸試樣中孔洞的存在對疲勞裂紋擴(kuò)展和疲勞壽命的影響。
ANSYS Mechanical（工作臺）利用 ANSYS 中的一項(xiàng)新功能即智能裂紋擴(kuò)展技術(shù)，準(zhǔn)確預(yù)測恒定幅值載荷條件下的裂紋擴(kuò)展路徑和相關(guān)的疲勞壽命。
在線彈性斷裂力學(xué) (LEFM) 假設(shè)下，采用巴黎定律模型評估具有不同 MCTS 配置的改進(jìn)緊湊拉伸試樣 (MCTS) 的混合模式疲勞壽命。該方法涉及通過增量裂紋擴(kuò)展分析準(zhǔn)確評估應(yīng)力強(qiáng)度因子 (SIF)、裂紋擴(kuò)展路徑和疲勞壽命評估。
疲勞裂紋擴(kuò)展結(jié)果表明，疲勞裂紋始終被孔吸引，因此要么它只能彎曲路徑并向孔擴(kuò)展，要么它只能從孔中浮出并在孔消失后進(jìn)一步擴(kuò)展。就混合型載荷條件下裂紋擴(kuò)展的軌跡而言，本研究的結(jié)果與文獻(xiàn)中發(fā)表的幾項(xiàng)裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相一致，這些實(shí)驗(yàn)顯示了類似的觀察結(jié)果。
本教程主要基于 Abdulnaser M. Alshoaibi 和 Yahya Ali Fageehi 的論文“線性彈性材料疲勞裂紋擴(kuò)展路徑的數(shù)值分析和壽命預(yù)測”。
第 2 步：設(shè)置
在 ANSYS Workbench 主菜單上拖放靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析：
步驟3：工程數(shù)據(jù)（材料模型）
本教程選定的材料是“SAE 1020 碳鋼”。
材料模型由各向同性彈性、拉伸屈服強(qiáng)度、拉伸極限強(qiáng)度和巴黎定律參數(shù)（C 和 m）組成。
展開 
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疲勞裂紋的最新內(nèi)容
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裝甲車在戰(zhàn)場及訓(xùn)練中頻繁通過壕溝、彈坑路、陡坡等惡劣路面，其結(jié)構(gòu)在長期交變載荷作用下易產(chǎn)生疲勞裂紋，傳統(tǒng)基于物理樣車的耐久測試周期長、成本高，且難以在研發(fā)早期覆蓋所有危險(xiǎn)工況。
變速處理后最大撕裂能測試演示
02
解析循環(huán)載荷下的裂紋擴(kuò)展行為
針對文中重點(diǎn)討論的疲勞裂紋問題，我們提供 “全松弛疲勞裂紋擴(kuò)展測試” ，此測試可精確獲得材料的裂紋擴(kuò)展速率（da/dN）與撕裂能的關(guān)系曲線，并識別出疲勞門檻值 Gth。
03
完善的模型庫
內(nèi)置經(jīng)過工業(yè)驗(yàn)證的成熟材料模型，如Thomas疲勞裂紋擴(kuò)展模型、Lake-Lindley疲勞極限模型等，可精確描述包括應(yīng)變結(jié)晶效應(yīng)在內(nèi)的多種橡膠材料行為。
04
顯著降低測試成本
通過仿真分析篩選出不合格的設(shè)計(jì)方案，從而將實(shí)物測試資源集中于最具潛力的設(shè)計(jì)方案上。
核心測試
疲勞裂紋擴(kuò)展測試、動態(tài)變載荷循環(huán)疲勞拉伸、最大撕裂能測試、本征強(qiáng)度測試。
工程價(jià)值
量化材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率與裂紋萌生壽命，確定其耐久極限，為基于物理機(jī)理的疲勞壽命預(yù)測模型提供關(guān)鍵輸入。
疲勞裂紋擴(kuò)展測試示意圖
粘彈性、粘滯生熱與熱力學(xué)屬性
表征材料對時(shí)間、頻率和溫度的依賴性，對于預(yù)測動態(tài)工況下的性能與生熱至關(guān)重要。
量化“非共價(jià)作用”的耗能效率：
動態(tài)疲勞裂紋擴(kuò)展測試
綜述強(qiáng)調(diào)，非共價(jià)相互作用是分子工程的核心耗散機(jī)制。我們的此項(xiàng)測試，通過精確測量裂紋擴(kuò)展速率（da/dN），能直接量化不同分子設(shè)計(jì)（如氫鍵密度、離子相互作用強(qiáng)度）在循環(huán)載荷下反復(fù)斷裂與重建的耗能效率，為評判分子設(shè)計(jì)方案的長期耐久性提供最直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
基于Darveaux模型的BGA焊球溫循壽命預(yù)測1個(gè)月前
：裂紋萌生壽命54.5 cycles，裂紋擴(kuò)展壽命304.2 cycles，焊球總溫循壽命為358.7 cycles。
由于芯片（Si）、基板（BT/FR-4/陶瓷）與焊料（SnAgCu）之間存在顯著熱膨脹系數(shù)差異，反復(fù)的熱應(yīng)力和剪切應(yīng)力會在焊點(diǎn)頸部和角部區(qū)域集中，促使疲勞裂紋逐步萌生并向內(nèi)部擴(kuò)展，最終導(dǎo)致虛焊或開路等失效形式。傳統(tǒng)的壽命預(yù)測多依賴經(jīng)驗(yàn)曲線和統(tǒng)計(jì)公式，但在新材料體系、更復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)以及多變工況下往往適用性不足。
其次，應(yīng)力條件亦為關(guān)鍵因素，其中應(yīng)力幅值、應(yīng)力均值以及所施加載荷的變化模式(即載荷譜)均會直接影響疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展過程。此外，結(jié)構(gòu)的幾何特征也對疲勞行為產(chǎn)生重要作用，尤其在存在幾何不連續(xù)或表面缺陷的部位，更容易引發(fā)應(yīng)力集中，進(jìn)而加速疲勞損傷的積累。材料的疲勞強(qiáng)度與其使用壽命之間的聯(lián)系可以通過圖5-1展示的曲線來描述。
過度振動不僅可能導(dǎo)致船體產(chǎn)生顯著的變形、較高的振動速度和加速度，還會引發(fā)噪聲問題，對船上人員的健康構(gòu)成潛在威脅，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)結(jié)構(gòu)疲勞、裂紋擴(kuò)展以及安全事故。
近年來，隨著船舶結(jié)構(gòu)形式和工況要求的不斷提高，非對稱船體梁的振動問題引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。尤其在波浪載荷等動態(tài)激勵(lì)作用下，大型非對稱船舶往往表現(xiàn)出較強(qiáng)的振動響應(yīng)。
有限元數(shù)值法以計(jì)算機(jī)為平臺利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和強(qiáng)大的建模能力可以解決工程中復(fù)雜的幾何條件和邊界條件下的實(shí)際問題而且有限元法不僅局限于線彈性問題在研究彈塑性斷裂力學(xué)、疲勞和蠕變裂紋擴(kuò)展速率等問題方面也同樣適用已經(jīng)成為獲得應(yīng)力強(qiáng)度因子的主要途徑。
