裂纹尖端激光止裂的数值模拟及分析

摘要

类似裂纹的缺陷大量地存在于材料和工程结构中，裂纹不仅降低了材料和工程结构的承载能力，而且在服役过程中裂纹尖端会发生应力集中，往往会造成结构件的断裂破坏，甚至诱发灾难性事故，因此，研究如何阻止裂纹扩展具有重要的理论意义和实用价值。
　　裂纹尖端区域是整个裂纹体中最危险的区域，所以研究如何阻止裂纹尖端失稳扩展是裂纹止裂的关键。目前，由于实验的复杂性和经济性，数值模拟方法成为开展裂纹止裂研究的有效手段，本文基于ABAQUS平台，采用常规有限元分析方法和扩展有限元分析方法分别对准静态静止裂纹和准静态扩展裂纹进行裂纹尖端激光止裂研究。
　　首先，对裂纹尖端激光止裂过程当中的温度场进行了数值模拟。在数值模拟过程中，基于ABAQUS平台调用VisualFortran中编制的激光热源用户子程序，考虑材料各物理参数随温度的变化，为了提高计算精度、减少计算时间，对模型进行分割，对裂纹尖端网格进行细化，通过数值模拟结果的后处理，给出各节点温度随时间变化的分布曲线。
　　其次，基于温度场模拟结果，通过热力顺序耦合对残余应力场分布进行了数值模拟。在数值模拟过程中，分析连续激光热源和脉冲激光热源对残余应力场模拟结果的影响，并且分析不同裂纹长度对裂纹尖端残余应力场分布的影响，结果表明:在不考虑脉冲激光冲击波压力的前提下，裂纹尖端连续激光和脉冲激光止裂的残余应力场模拟结果相同;裂纹长度越小，裂纹扩展方向及厚度方向上的残余压应力值越大。
　　再次，通过常规有限元分析方法获得准静态静止裂纹的裂纹尖端张开角度CTOA及J积分结果。结果表明:裂纹尖端激光止裂前、后，裂纹尖端最危险区域均为中间层;止裂后，裂纹尖端失稳扩展的临界载荷增大，试件的承载能力随之增强;此外，J积分分析表明，止裂处理后裂纹尖端存在闭合趋势。
　　最后，通过扩展有限元分析方法获得准静态扩展裂纹的裂纹尖端张开位移CTOD及J积分结果。结果表明:止裂后，裂纹尖端失稳扩展的临界载荷增大，试件的承载能力随之增强;此外，J积分分析表明，止裂处理后裂纹尖端存在闭合趋势。
　　总之，本文以含裂纹缺陷的三点弯曲试样为实例，基于ABAQUS平台对裂纹扩展及裂纹尖端激光止裂进行相关的理论分析和数值模拟，结果表明:止裂后，裂纹尖端得到强化，抑制了裂纹尖端的失稳扩展趋势，从而为裂纹尖端激光止裂方法的进一步研究及应用奠定坚实的基础。