基于Abaqus平台疲劳损伤与寿命评估方法

摘要

本发明公开了一种基于Abaqus平台疲劳损伤与寿命评估方法。本发明提出的微观‑宏观尺度耦合模型是基于宏观代表区域和材料微观结构特征，利用Voronoi算法实现微观子模型建立，具有良好的平台兼容性和可移植性，从根本上解决了微观‑宏观多尺度耦合技术问题，实现了用于疲劳损伤与寿命评估的多尺度耦合模型建立和应用；此外，本发明提出的材料微观‑宏观多尺度耦合疲劳损伤与寿命评估模型与算法，既能从微观尺度考虑疲劳损伤演化并评估疲劳寿命，又能从宏观尺度对这两个物理参数进行计算评估，从而预测整个工件的疲劳损伤与寿命。为材料疲劳损伤与寿命评估提供重要的理论支撑和技术依据，具有较强的创新性和工程应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及有限元技术，具体涉及一种基于Abaqus平台疲劳损伤与寿命评估方法。

背景技术

基于有限元技术的材料疲劳损伤与寿命评估计算一直以来都是工程中急于解决的问题，也是目前有限元计算研究中热门研究方向和难点，且存在以下问题：1)复杂工件的多轴疲劳和与之对应的时间历程下应力-应变响应；2)疲劳模型需要更小的网格尺寸用于描述工件疲劳损伤演化和模型表面应力/应变梯度分布。可见，对于材料疲劳损伤与寿命评估计算一方面需要考虑各种疲劳载荷工况条件，另一方面出于解决和指导工程实际问题还需要重点考虑算法的计算效率。

目前，针对疲劳计算都是基于现有商业通用软件后处理模式进行二次开发实现，其技术核心就是对有限元结果(应力/应变)进行基于疲劳理论再次分析处理，并且只能进行疲劳寿命评估而无法考虑疲劳损伤过程，整个过程是利用已有的软件求解器进行计算，这也极大地限制了数据处理速度和求解效率。此外，该处理过程仅是局限于宏观层次的计算，并没有考虑微观-宏观多尺度耦合模型，并且模拟结果也仅限于疲劳寿命评估等参数。因此，现有的疲劳寿命预测方法存在很多局限性且仅能作为定性计算研究。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于Abaqus平台疲劳损伤与寿命评估方法解决了现有疲劳寿命评估算法无法考虑微观-宏观多尺度耦合行为和材料损伤的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于Abaqus平台疲劳损伤与寿命评估方法，包括以下步骤：

S1、建立材料微观-宏观尺度耦合疲劳损伤与寿命评估模型；

S2、通过疲劳损伤及寿命评估模型评估材料微观-宏观尺度耦合疲劳损伤与寿命。

进一步地：所述步骤S1的具体步骤为：

S11、基于实际工程问题建立宏观几何模型；

S12、在考虑材料微观结构特征的基础上选取代表性区域利用Voronoi算法建立微观子模型；

S13、在宏观几何模型和微观子模型的基础上分别建立基于宏观模型的均匀弹-塑性模型和考虑材料微观特性的晶体塑性基弹-塑性本构模型；

S14、通过晶体塑性基弹-塑性本构模型计算所选区域的微观损伤增量，并通过累积损伤变量值计算均匀弹-塑性模型的宏观损伤增量；

S15、通过微观损伤增量和宏观损伤增量判断微观子模型和宏观模型是否失效，当模型失效时，进入步骤S16，否则进入步骤S17；

S16、考虑微观损伤增量和宏观损伤增量建立疲劳损伤及寿命评估模型；

S17、直接建立不考虑疲劳损伤的寿命评估模型。

进一步地：所述步骤S14中微观损伤增量的计算公式为：

上式中，D_micro为微观损伤增量，λ为裂纹萌生长度比值，为平均应力，β和m为材料敏感参数，t为时间；

所述宏观损伤增量的计算公式为：

上式中，D_macro为宏观损伤增量，N为晶粒数量。

进一步地：所述步骤S16中疲劳损伤及寿命评估模型为：

上式中，N_f为疲劳寿命，N_micro为微观裂纹萌生扩展寿命，N_macro为宏观稳态裂纹扩展寿命，γ_s为材料表面自由能，Δγ_p为塑性剪切应变增量，Δτ为剪切应力增量，t_m为最大驻留滑移带(PSB)宽度，f为能量有效系数，n、α、β和m均为材料参数，σ_a和σ_m分别为应力幅和平均应力，E和E₀分别为损伤后和损伤钱的弹性模量，σ为应力，v为裂纹扩展速度。

进一步地：所述步骤S2的具体步骤为：

S21、根据金属材料的晶格类型，确定疲劳损伤及寿命评估模型的求解变量个数n；

S22、选择迭代变量和收敛及精度控制参数，基于线性算法获得弹-塑性模型的迭代初始值；

S23、基于非线性算法或快速博里叶变换算法(FFT)计算塑性基弹-塑性本构模型第n步的迭代变量，并通过欧拉积分获得第n+1步的迭代变量和一致切线刚度矩阵；

S24、基于n+1步的迭代变量和一致切线刚度矩阵评估微观-宏观尺度耦合疲劳损伤与寿命。

进一步地：所述步骤S21中的晶格类型包括面心立方金属材料、体心立方金属材料和密排立方金属材料，所述面心立方金属材料的求解变量个数为12，所述体心立方金属材料的求解变量个数为48，所述密排立方金属的求解变量个数为6。

本发明的有益效果为：本发明提出的微观-宏观尺度耦合模型是基于宏观代表区域和材料微观结构特征，利用Voronoi算法实现微观子模型建立，具有良好的平台兼容性和可移植性，从根本上解决了微观-宏观多尺度耦合技术问题，实现了用于疲劳损伤与寿命评估的多尺度耦合模型建立和应用；此外，本发明提出的材料微观-宏观多尺度耦合疲劳损伤与寿命评估模型与算法，既能从微观尺度考虑疲劳损伤演化并评估疲劳寿命，又能从宏观尺度对这两个物理参数进行计算评估，从而预测整个工件的疲劳损伤与寿命。为材料疲劳损伤与寿命评估提供重要的理论支撑和技术依据，具有较强的创新性和工程应用价值。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种基于Abaqus平台疲劳损伤与寿命评估方法，包括以下步骤：

S1、建立材料微观-宏观尺度耦合疲劳损伤与寿命评估模型；

具体步骤为：

S11、基于实际工程问题建立宏观几何模型；

S12、在考虑材料微观结构特征的基础上选取代表性区域利用Voronoi算法建立微观子模型；

S13、在宏观几何模型和微观子模型的基础上分别建立基于宏观模型的均匀弹-塑性模型和考虑材料微观特性的晶体塑性基弹-塑性本构模型；

S14、通过晶体塑性基弹-塑性本构模型计算所选区域的微观损伤增量，并通过累积损伤变量值计算均匀弹-塑性模型的宏观损伤增量；

微观损伤增量的计算公式为：

上式中，D_micro为微观损伤增量，λ为裂纹萌生长度比值，为平均应力，β和m为材料敏感参数，t为时间；

所述宏观损伤增量的计算公式为：

上式中，D_macro为宏观损伤增量，N为晶粒数量。

S15、通过微观损伤增量和宏观损伤增量判断微观子模型和宏观模型是否失效，当模型失效时，进入步骤S16，否则进入步骤S17；

S16、考虑微观损伤增量和宏观损伤增量建立疲劳损伤及寿命评估模型；

疲劳损伤及寿命评估模型为：

上式中，N_f为疲劳寿命，N_micro为微观裂纹萌生扩展寿命，N_macro为宏观稳态裂纹扩展寿命，γ_s为材料表面自由能，Δγ_p为塑性剪切应变增量，Δτ为剪切应力增量，t_m为最大驻留滑移带(PSB)宽度，f为能量有效系数，n、α、β和m均为材料参数，σ_a和σ_m分别为应力幅和平均应力，E和E₀分别为损伤后和损伤钱的弹性模量，σ为应力，v为裂纹扩展速度。

S17、直接建立不考虑疲劳损伤的寿命评估模型。

S2、通过疲劳损伤及寿命评估模型评估材料微观-宏观尺度耦合疲劳损伤与寿命。

具体步骤为：

S21、根据金属材料的晶格类型，确定疲劳损伤及寿命评估模型的求解变量个数n；

晶格类型包括面心立方金属材料、体心立方金属材料和密排立方金属材料，所述面心立方金属材料的求解变量个数为12，所述体心立方金属材料的求解变量个数为48，所述密排立方金属的求解变量个数为6。

S22、选择迭代变量和收敛及精度控制参数，基于线性算法获得弹-塑性模型的迭代初始值；

S23、基于非线性算法或快速博里叶变换算法(FFT)计算塑性基弹-塑性本构模型第n步的迭代变量，并通过欧拉积分获得第n+1步的迭代变量和一致切线刚度矩阵；

S24、基于n+1步的迭代变量和一致切线刚度矩阵评估微观-宏观尺度耦合疲劳损伤与寿命。

本发明提出的微观-宏观尺度耦合模型是基于宏观代表区域和材料微观结构特征，利用Voronoi算法实现微观子模型建立，具有良好的平台兼容性和可移植性，从根本上解决了微观-宏观多尺度耦合技术问题，实现了用于疲劳损伤与寿命评估的多尺度耦合模型建立和应用；此外，本发明提出的材料微观-宏观多尺度耦合疲劳损伤与寿命评估模型与算法，既能从微观尺度考虑疲劳损伤演化并评估疲劳寿命，又能从宏观尺度对这两个物理参数进行计算评估，从而预测整个工件的疲劳损伤与寿命。为材料疲劳损伤与寿命评估提供重要的理论支撑和技术依据，具有较强的创新性和工程应用价值。