疲勞裂紋的案例
形狀不規則裂紋的疲勞壽命預測技術
形狀不規則裂紋的疲勞壽命預測技術
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展的計算技術。該技術基于三維有限單元法和Paris疲勞裂紋擴展速率方程，并具有網格隨裂紋擴展重新自動生成的能力。技術的實用性通過幾個典型的工程裂紋模擬實例得到了說明。
關鍵詞 疲勞裂紋擴展 損傷容限設計 應力強度因子 有限元
中國圖書資料分類法分類號 TP202
1963年Paris和Erdogan［1］發表了一篇著名的論文，首次對疲勞裂紋擴展速率和應力強度因子范圍之間的試驗曲線進行了關聯，指出了金屬材料中裂紋的疲勞擴展主要由應力強度因子范圍控制。盡管從那時起，以斷裂力學為基礎的疲勞裂紋擴展研究得到了迅速發展，但Paris和Erdogan建議的經驗公式目前仍然是計算工程裂紋疲勞擴展壽命的主要工具。
工程中遇到的裂紋通常是形狀不規則裂紋，在疲勞載荷作用下，這些不規則裂紋又可能發生顯著的形狀變化。如何處理裂紋的形狀及其變化，一直是疲勞科學家和工程師想要解決的問題。當前，裂紋的斷裂評定或剩余疲勞壽命計算一般需要預先假定裂紋的形狀，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。這些規則也建議了計算疲勞裂紋擴展壽命的方法，即通過假定裂紋在疲勞擴展過程中的形狀，應用Paris公式對裂紋前沿上的一個特征點進行計算，對于表面裂紋，這一特征點通常為裂紋深度點。大量試驗已經表明，這些規范所假定的裂紋形狀在許多情況下與實際不符。
筆者最近發展了一種計算疲勞裂紋擴展壽命的新技術。該技術能直接跟蹤預測疲勞裂紋的形狀變化，從而顯著提高了疲勞壽命的計算精度。
展開 采用Abaqus和Marc軟件的疲勞裂紋擴展分析對比
1基本理論
在進行疲勞裂紋擴展計算時，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還提供了應力強度因子形式的paris公式。兩種公式形式下的參數C和m有所不同。
Abaqus通過下式判斷疲勞裂紋何時開始擴展
而Marc則通過在分析工況中選中相應的初始裂紋，通過設置多個分析工況，控制裂紋開始擴展的時間。
2軟件分析過程
ABAQUS
Abaqus進行疲勞裂紋擴展分析時，分析步需選擇Direct cyclic。另需編輯關鍵字，輸入參數C、m等。
初始裂紋建模與其它類型的裂紋相似，通過擴展有限元方式建立初始裂紋及實現裂紋的擴展，因此初始裂紋需剛好穿過整數個單元，才能實現初始裂紋的準確建模。Abaqus中，每次疲勞裂紋擴展的距離為一個單元，然后軟件會以單元的長度和得到的能量釋放率，通過Paris公式計算出對應的疲勞周次，直接跳轉到相應的循環次數，進行后續的計算。
Abaqus軟件的疲勞裂紋擴展分析暫不支持非線性，僅可定義裂紋面之間的接觸。
Marc
Marc軟件進行疲勞裂紋擴展分析時，與常規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展則是通過網格重劃分實現。
Marc軟件中，每次疲勞裂紋擴展的距離有兩種控制方式。方式1：直接由Paris公式計算出擴展的距離，逐一計算各疲勞周次。
展開 EA1N 車軸疲勞裂紋的分析
因此，在熱加工過程中，也未產生不利于車軸疲勞的影響因素。
而對于機加工工序，因進給量進行了提高的調整，雖然對外形尺寸沒有影響，但必然會使車軸表層產生較大的拉應力，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，進而為疲勞裂紋提供了大量的萌生位置，增大了發生疲勞裂紋的可能性。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。
展開 硬質涂層-金屬基體的疲勞裂紋萌生
涂層厚度約為
5μm
，呈致密柱狀晶結構，拉
-
拉軸向疲勞測試應力比為
0.1
，頻率
R=60 Hz
，正弦波形加載。
疲勞測試結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典型的亞表面無缺陷疲勞裂紋源特征，而高應力下鍍膜試樣的疲勞裂紋源呈現從膜基界面向基體內部擴展的河流狀花樣，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的，涂層開裂主導的膜致基體解理開裂成為疲勞裂紋萌生的主要機制。低應力下覆膜試樣的裂紋源呈現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的。基體滑移臺階導致涂層斷裂，在已被位錯堆積擠壓的脆性α相上形成附加應力集中，加速了亞表面疲勞裂紋萌生。
圖1 (a)疲勞試樣尺寸及(b)拉-拉軸向疲勞測試結果:帶有涂層鈦合金基體疲勞極限應力顯著下降并且在某臨界應力附件出現裂紋形核機制不同
圖2 不同循環應力下的TiN-TC4試樣疲勞裂紋源形貌及位置統計結果：低于臨界應力疲勞裂紋形核于界面附近的鈦合金基體中，高于臨界應力裂紋形核于涂層/基體界面處
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
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展開 
改進的緊湊拉伸試樣的疲勞裂紋擴展分析 - ANSYS Workbench ￥3
改進的緊湊拉伸試樣的疲勞裂紋擴展分析 - ANSYS Workbench
本教程包括改進的緊湊拉伸試樣的逐步疲勞裂紋分析。
步驟 1：概述
這項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展路徑的數值模型，以及研究在恒定幅值載荷條件下改進的緊湊拉伸試樣中孔洞的存在對疲勞裂紋擴展和疲勞壽命的影響。
ANSYS Mechanical（工作臺）利用 ANSYS 中的一項新功能即智能裂紋擴展技術，準確預測恒定幅值載荷條件下的裂紋擴展路徑和相關的疲勞壽命。
在線彈性斷裂力學 (LEFM) 假設下，采用巴黎定律模型評估具有不同 MCTS 配置的改進緊湊拉伸試樣 (MCTS) 的混合模式疲勞壽命。該方法涉及通過增量裂紋擴展分析準確評估應力強度因子 (SIF)、裂紋擴展路徑和疲勞壽命評估。
疲勞裂紋擴展結果表明，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展，要么它只能從孔中浮出并在孔消失后進一步擴展。就混合型載荷條件下裂紋擴展的軌跡而言，本研究的結果與文獻中發表的幾項裂紋擴展實驗的結果相一致，這些實驗顯示了類似的觀察結果。
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展路徑的數值分析和壽命預測”。
第 2 步：設置
在 ANSYS Workbench 主菜單上拖放靜態結構分析：
步驟3：工程數據（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、拉伸屈服強度、拉伸極限強度和巴黎定律參數（C 和 m）組成。
展開 abaqus和franc3d疲勞裂紋擴展分析對比
隨著高強度材料和大型結構的廣泛應用，一些根據靜強度設計制造的產品先后發生災難性的疲勞斷裂事故。精確估算出結構的疲勞壽命，確保結構在服役期內不發生疲勞失效是疲勞裂紋研究的目的。Abaqus和Franc3D均可以模擬循環載荷下的疲勞裂紋擴展行為，本文對兩者的模擬結果進行了對比分析。
Abaqus中可以通過直接循環法進行疲勞裂紋擴展分析，整個過程包含兩階段，（1）裂紋萌生階段；（2）裂紋擴展階段。
裂紋萌生準則如下
裂紋萌生后的擴展速度采用基于能量釋放率的Paris公式進行描述
Abaqus中通過設置關鍵字來引入裂紋擴展模型。
*Fracture Criterion,TYPE=FATIGUE,MIXED MODE BEHAVIOR=POWER(BK or REEDER)
Franc3D與Abaqus的區別在于裂紋描述方式上，abaqus采用擴展有限元方法來描述裂紋，Franc3D則通過自適應網格來描述裂紋。Franc3D內置了多種疲勞裂紋擴展速率模型，如下圖所示。
在計算疲勞裂紋擴展時，Abaqus和Franc3D本質上的物理機理是相同的，只是各自具體的實現方法有所區別。本文分別使用Abaqus和Franc3D模擬了含有預制裂紋平板的疲勞行為，并對模擬結果進行了對比。
Abaqus中模型的幾何形狀和加載方式如下圖所示。Abaqus計算出裂紋尖端的能量釋放率，并結合式(2)進行裂紋疲勞擴展分析。
Franc3D中的網格如下所示。Franc3D對裂紋尖端網格進行了楔形單元劃分，通過M-integral等方法計算出裂紋尖端的應力強度因子，結合Paris公式等進行疲勞裂紋擴展分析。
展開 基于XFEM的裂紋擴展仿真過程詳解和仿真經驗交流（二）（包括直接循環載荷步疲勞裂紋擴展分析） ￥20
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圖0 疲勞裂紋擴展應力云圖
圖00 疲勞裂紋擴展phi
圖000 疲勞裂紋擴展a-N曲線圖
###基于Paris公式的低周疲勞裂紋擴展仿真###
首先再次再次再次強調，基于Paris的裂紋擴展仿真必須要預制裂紋，也就是說該方法只能用于模擬裂紋的擴展過程，而不能用于裂紋的萌生過程。
（1） 建立part：plate和crack
（2） 定義材料屬性、截面屬性和賦予截面屬性：E = 2e5， μ = 0.33，只給plate賦予截面屬性
（3） 幾何裝配：建模和裝配中的一些注意事項見貼（一），尤其是后面的網格劃分問題，有可能就會導致所有設置都沒問題但是裂紋根本不擴展，當然，裂紋死活不擴展的可能原因有很多，我發現的只是其中一個。
（4） 模型劃分
（5） 設置相互作用（定義裂紋）：前面提過，ABAQUS裂紋仿真靜態裂紋參數計算和裂紋擴展只能二選一，而且裂紋參數計算只能用于三維模型，因此這里默認為裂紋發生擴展。注意：這里最好要定義接觸條件，不然后面的關鍵詞你不知道寫在哪，那樣更麻煩。
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Abaqus XFEM疲勞裂紋擴展(基于Paris公式)教程
本文將詳細介紹在abaqus軟件中，利用擴展有限元（XFEM）實現疲勞裂紋擴展，用的是二維CT模型，三維模型同理。
主要包括一下幾方面：1.模型的建立（包括材料賦予，預制裂紋，分析步設置，邊界條件設置）2.關鍵詞設置（裂紋擴展的Paris公式在abaqus中的換算）3.收斂問題。
1. 模型的建立
根據國標GB/T 6398-2017，金屬材料疲勞試驗疲勞裂紋擴展方法所規定的CT模型建模方法：
在abaqus中建模并且在中間畫好過渡線，可得：
再建一個預制裂紋（裂紋長度為1mm，你可以根據自己需要選擇長度）的模型：
材料賦予正常進行，賦予彈性和塑性就行，預制裂紋不需要賦予材料屬性（例子為了方便，只賦予彈性部分）
裝備部分，選擇CT模型及預制裂紋兩個part，再將預制裂紋移動至裂紋尖端:
Step設置：
本文用的是direct cycle分析步
展開 基于ABAQUS的疲勞裂紋擴展程序二次開發
基于ABAQUS有限元軟件平臺，應用它的腳本接口二次開發出一套可以用于自動計算疲勞裂紋擴展的程序包。該程序包可以實現參數化有限元建模、訪問輸出數據庫及進行其他后處理，從而避免重復建模及分析結果，顯著提高分析效率。
一.疲勞裂紋擴展程序工作流程
二.結果輸出
創建模型
采用帶有單邊裂紋的整體加筋壁板作為算例。
2.后處理結果
三.結論
應用Python語言進行 ABAQUS二次開發可以有效的拓展其功能并且顯著提高工作效率。本文針對疲勞裂紋擴展問題進行ABAQUS的二次開發，應用該程序可以有效分析飛機結構疲勞裂紋擴展問題。
如有需要，隨時聯系。
展開 金屬頂刊《Acta Materialia》：形狀記憶合金的疲勞裂紋擴展行為！
通過積分已實現將結構材料的疲勞裂紋擴展速率擬合至Paris型冪律表達式中。
圖1Ni50.3Ti29.7Hf20高溫形狀記憶合金的BSE圖像和氧化物顆粒的大小分布
圖2Ni50.3Ti29.7Hf20高溫形狀記憶合金進行550℃×3h熱處理后的TEM圖
圖3 NiTiHf DCT試件在180℃時機械疲勞裂紋擴展的?J與da/dN關系圖
在本文實驗中證實該式可擬合來自所有實驗的疲勞裂紋擴展率數據并可使用同一組參數，冪律指數m約為2.2。疲勞斷口分析表明，機械裂紋擴展和驅動裂紋擴展均為準解理斷裂，表面氧化鉿的頻繁存在對裂紋擴展抗力產生了惡化作用。所獲得的結果表明，單一的經驗冪律表達式可以在廣泛的加載條件和幾何構型中實現所需的相似性，從而提供形狀記憶合金熱機械疲勞的統一描述，從而估算驅動力。
圖4180℃機械疲勞裂紋擴展實驗后NiTiHf DCT試樣斷口的SEM圖像
圖5 NiTiHf DCT試樣在250 N恒偏置載荷下驅動疲勞裂紋擴展實驗后的斷口SEM圖像
總的來說，本文首次對富鎳NiTiHf高溫形狀記憶合金進行了純機械和驅動疲勞裂紋擴展實驗。基于循環積分，提出了一種Paris型冪律裂紋擴展表達式，用于擬合各實驗單參數下的疲勞裂紋擴展速率。本文為形狀記憶合金的設計和疲勞預測提供了理論依據。（文：破風）
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展開 ANSYS WORKBENCH疲勞裂紋擴展分析
接上一案例，采用ANSYS WORKBENCH進行疲勞裂紋擴展分析，模型參數與上一案例相同。
當采用圖示模型進行計算時，會有如下報錯信息。
于是依據模型對稱性，修改模型如下。
WORKBENCH中疲勞裂紋擴展基于應力強度因子形式的paris公式，相應材料參數中需添加圖示參數C和m。
ANSYS中提供了兩種疲勞裂紋擴展壽命計算方式，即固定裂紋擴展距離，計算每次擴展對應循環次數；或固定循環次數，計算相應循環次數對應裂紋擴展距離。
在Fracture下分別設置相應初始裂紋及裂紋擴展參數。
分析設置中修改Fracture Controls設置。
計算結果可獲取圖示的裂紋擴展距離、裂紋擴展壽命曲線及相應曲線的數值。
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改進型緊湊拉伸試樣疲勞裂紋擴展分析-ANSYS Workbench ￥3
研究的主要目標是展示裂紋擴展路徑的數值模型，并研究孔洞對改進型緊湊拉伸試樣（MCTS）在恒定振幅載荷條件下疲勞裂紋擴展和疲勞壽命的影響。研究使用了ANSYS Mechanical (Workbench)軟件，利用ANSYS中的智能裂紋擴展技術來準確預測裂紋擴展路徑和相關的疲勞壽命。巴黎定律模型被用來評估不同配置的MCTS在線性彈性斷裂力學（LEFM）假設下的混合模式疲勞壽命。這種方法涉及準確評估應力強度因子（SIFs）、裂紋擴展路徑，并通過增量裂紋擴展分析進行疲勞壽命評估。疲勞裂紋擴展結果表明，疲勞裂紋總是被孔洞吸引，因此它要么只能彎曲其路徑并向孔洞擴展，要么只能在孔洞丟失后從孔洞處漂浮并進一步擴展。在混合模式載荷條件下的裂紋擴展軌跡方面，本研究的結果與文獻中發表的幾項裂紋擴展實驗結果相似，這些實驗觀察到了類似的結果。
3. : Setup
拖動Static Structural Analysis 到 ANSYS Workbench中:
4. : Engineering Data (Material Model)
o 選擇的材料為"SAE 1020 Carbon Steel".
展開 基于有機力致響應AIE材料的金屬應力/應變分布和疲勞裂紋擴展路徑的動態可視化檢測
除了應力/應變分布分析，TPE-4N涂層還能實時監測機械部件上的疲勞裂紋，并且預測疲勞裂紋的擴展路徑。當試樣未加載時，無熒光響應。當載荷循環加載過程中，在缺口的邊緣處出現熒光信號，表明該處出現應力集中，并且誘發疲勞裂紋生成。隨著加載繼續，疲勞裂紋擴展，并且在裂紋的尖端和兩側出現熒光信號。裂紋尖端的前部出現熒光，這表明該區域應力集中明顯，裂紋偏向此區域擴展。
這一系列TPE-4N涂層的實驗在鋁合金（Al 1100，Al 2024），不銹鋼（SUS316L）和低合金鋼（X80）等材料上進行了重復性測試，證明了這個先進材料的廣泛適用性。
本研究結果發表于《Advanced Materials》雜志。
全文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201803924
參考文獻：
Weijun Zhao et.al. Nature Communication 9 (2018): 3044
https://www.nature.com/articles/s41467-018-05476-y
來源：高分子科學前沿
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分享cohesive疲勞裂紋論文A cohesive zone model for fatigue crack growth文章詳細介紹了循環損傷變量變化過程，通過本構方程控制的界面單元實現裂紋擴展。
寫的挺好的，想要重現整個過程，就是不知道從何入手，如果有高手也再進行cohesive
element模擬裂紋擴展，請給一些編程思路，謝謝了。
cohesive疲勞裂紋論文.rar
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
而當DD6合金處于極限工作溫度時，裂紋萌生位置從內部缺陷處轉移到了表面，而且由原來的單源萌生轉變為了多源萌生（圖 1右上角（b））。擴展路徑變為與施加應力方向垂直的{001}平面，沿這個路徑擴展的方式也被稱為mode I（圖 1右上角（a））。
萌生位置的轉變可以歸因于1100 ℃下氧化與疲勞的交互作用（圖 1左下角）。內氧化區域γ′強化相退化，有利于微裂紋的萌生。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。
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