CN109359358A - 一种用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法，包括以下步骤：在有限元软件定义材料属性；进行3维有限元划分；对有限元模型施加约束及载荷；设置应力强度因子计算；求解，获得有限元结果；提取有限元模型裂纹尖端各节点的应力强度因子和节点坐标，并生成输出文件；生成批处理文件；将应力强度因子和节点坐标输出文件导入数据处理软件，计算并生成文件；将批处理命令流、输出文件和上述计算结果文件导入优化软件；设置变量、约束条件和优化目标；进行优化计算，得到最终优化参数。本发明采用了优化软件自动对侧槽几何参数进行优化，因此能更高效、快速的获得更加准确的最优侧槽形状，保证裂纹前沿应力强度因子的一致性。

Description

一种用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法

技术领域

本发明属于材料试验方法技术领域，具体涉及一种用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法。

背景技术

航空发动机轮盘的损伤容限设计理念是在假设存在来自于材料内部或加工的缺陷的条件下，根据实际载荷条件和材料的裂纹扩展速率确保轮盘的使用寿命。因此，损伤容限设计的关键问题之一是依据准确的裂纹扩展率数据建立可靠的裂纹扩展模型，在此基础上，准确预测从初始缺陷到裂纹扩展至轮盘失稳破裂的寿命。

金属材料裂纹扩展行为和模型的研究通常是基于材料标准CT试样的裂纹扩展试验。对于标准CT试样裂纹扩展试验，裂纹贯穿板厚，一般假设裂纹均匀扩展，裂纹尖端应力强度因子数值根据试验标准提供的基于平面应力状态假设得到的经验公式计算。然而CT试样裂纹前缘的实际应力状态为非均匀的，中心区域接近平面应变状态，应力强度因子最大，两侧应力强度因子逐渐减小。所以CT试样贯穿裂纹的扩展一般是不均匀的，通常中心区域扩展快，两侧扩展慢，裂纹扩展存在三维拘束效应，裂纹前缘的应力状态分布尤其是Z向应力(平行于裂纹前缘的应力)影响其裂纹扩展过程。因此，基于标准CT试样测试获得的裂纹扩展率数据是模糊平均的结果。而蠕变、疲劳以及蠕变-疲劳等裂纹扩展试验的ASTM标准中，建议采用20％总厚度的60°夹角的V型侧槽。文献研究表明，采用标准建议的V形侧槽并不能保证裂纹前缘断裂参数分布的一致性。

因此，针对这一问题，对带侧槽试件，提出一种用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法，以便快速、高效、准确地针对不同尺寸的试件获得最优侧槽几何形状，保证裂纹前沿断裂参数的一致性，从而保证裂纹扩展前沿平直度，获得准确的裂纹扩展率数据。

发明内容

为弥补现有标准在裂纹扩展试件侧槽形状方面的不足，本发明的目的是提供一种用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法，以获得最优侧槽形状。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在有限元软件中定义拉伸试件所用材料的属性；材料的属性包括弹性模量和泊松比；

(2)在有限元软件中对带侧槽试件模型进行3维有限元划分，得到有限元模型；

(3)对有限元模型施加约束及载荷；

(4)设置应力强度因子计算；

(5)求解，获得有限元结果；

(6)在通用后处理器中，提取有限元模型裂纹尖端各节点的应力强度因子和节点坐标，并生成输出文件；

(7)在有限元软件中，生成批处理文件；

(8)将步骤(6)生成的应力强度因子和节点坐标输出文件导入数据处理软件，并计算；

(9)将步骤(7)生成的批处理文件、步骤(6)生成的输出文件和步骤(8)的计算结果文件导入优化软件；

(10)在优化软件中设置变量、约束条件和优化目标；

(11)进行优化计算，得到最终优化参数。

所述步骤(1)中，定义拉伸试件所用材料的属性是将任意一种镍基合金的弹性模量和泊松比通过命令流或GUI方式输入到有限元软件中。

所述步骤(2)中，建立带侧槽CT试件的1/4有限元模型，并对所述1/4有限元模型的裂纹尖端部位建立奇异单元，并局部细化区域网格；同时由于应力强度因子在靠近边界部分变化明显，因此沿厚度方向边界网格细，中心网格粗；其中，带侧槽CT试件的尺寸为：厚度T＝10mm，宽度W＝20mm，加载销钉孔直径D＝7mm，初始裂纹长度a₀＝10mm，试件的裂纹张开端面距初始裂纹尖端l＝17mm。

所述步骤(3)中，对步骤(2)中得到的有限元模型在对称面施加对称约束，在销钉位置施加等效的压力载荷。

所述步骤(4)中，定义有限元模型的裂纹前沿节点集合，和裂纹张开部分任意一个节点的集合，采用交互积分法计算应力强度因子，通过命令流方式输入有限元软件，创建一个应力强度因子计算。

所述步骤(6)中，通过命令流方式，自动提取有限元模型裂纹尖端各节点的应力强度因子和节点坐标，并生成输出文件。

所述步骤(7)中，通过命令流或GUI方式将整个有限元计算过程生成批处理命令。

所述步骤(8)中，数据处理软件是Excel；具体步骤是：将应力强度因子和节点坐标文件导入Excel，按照距中心位置坐标排序，并计算内部1/2节点应力强度因子K的平均值EK_1/2；对所有K求方差，定义为SK1，将所有应力强度因子K对EK_1/2按照以下公式计算SK2，并生成Excel文件；

上式中，n代表裂纹前沿节点总数，K_i代表第i个节点处的应力强度因子，1≤i≤n。

所述步骤(9)中，在优化软件Isight中创建新工程，从Application Components中添加Calculator、Simcode和Excel组件，从Process Components添加Optimization，创建优化循环；将步骤(6)生成的输出文件、步骤(7)生成的批处理文件和脚本文件导入Simcode组件；将步骤(8)的计算结果生成为Excel文件并导入Excel组件。

所述步骤(10)中，在优化软件Isight内，在Excel组件中，定义裂纹前沿所有节点的应力强度因子Ki为数组K，定义Excel文件中的SK1为变量SK1，定义Excel文件中的SK2为变量SK2；在Simcode组件内，定义输入文件中的几何参数底部半径r，底部圆弧圆心坐标o，直线段张角theta为优化变量，以厚度中心为原点，沿厚度方向为x坐标轴，垂直于裂纹扩展面方向为y坐标轴，定义点A(Ax，0)为侧槽根部与x轴的交点坐标，定义点B(Bx，By)为侧槽根部圆弧与侧槽直线段过渡的切点坐标，试件半厚度T_1/2＝5mm，定义点C(5，Cy)为侧槽直线段与试件边界交点，裂纹张开端距初始裂纹尖端距离l＝17mm，定义MB，PB，MC，PC为有限元模型裂纹尖端分区域划分奇异单元所需参数；以上参数随计算而迭代优化；将输出文件的应力强度因子Ki和Excel组件中的K建立映射关系；在Calculator组件中，定义上述优化变量和模型参数的关系，如下式：

AX＝o-r

BX＝o-r*cos(theta/180*pi())

BY＝r*sin(theta/180*pi())

CY＝r*sin(theta/180*pi())

+(5-o+r*cos(theta/180*pi()))/tan(theta/180*pi())

MB＝-17-BY

PB＝-17+BY

MC＝-17-CY

PC＝-17+CY

在Optimization中，设置优化算法为Hooke-Jeeves，优化步数为1000，设置优化变量为r，o，theta，设置约束条件Ax<4.9，Bx<5，设置优化目标为SK1，SK2达到最小值。

本发明的有益效果是：本发明采用优化软件针对CT试件的侧槽形状进行自动优化，以裂纹前沿应力强度因子的一致性为优化目标，可以在很大范围内寻求侧槽几何参数的最优解；同时，针对不同厚度，不同几何尺寸的CT试件可以快速、高效地寻求最优侧槽形状，保证裂纹前沿应力强度因子的一致性，从而保证裂纹扩展试验中裂纹前沿的平直度，提高试验数据的准确性，为获得更准确的裂纹扩展模型打下基础。

附图说明

图1是有限元模型整体网格图；

图2是有限元模型裂纹尖端奇异单元和局部细化图；

图3是有限元模型沿厚度方向单元大小变化图；

图4是有限元模型施加约束和载荷图；

图5是Isight软件中优化循环图；

图6是侧槽几何形状和参数示意图；

图7是优化结果侧槽形状图；

图8是优化侧槽和无侧槽裂纹前沿应力强度因子对比图；

图9是优化载荷后，优化侧槽和无侧槽裂纹前沿应力强度因子对比图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例

本发明的一种用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法，以10mm厚度的带侧槽CT试样为例，对侧槽优化过程进行更进一步说明，包括以下步骤：

(1)在有限元软件中定义拉伸试件所用材料的属性，查询材料书册，采用FGH96的弹性模量E＝214000MPa，泊松比u＝0.28，并通过命令流或GUI方式输入到有限元软件中。航空发动机粉末合金涡轮盘均为镍基高温合金，其断裂控制参数为应力强度因子K，同时，粉末合金涡轮盘的潜在缺陷和夹杂物等特性也要求进行损伤容限设计。因此，选取FGH96的材料属性具有典型的代表性。

(2)在有限元软件中对带侧槽试件模型进行3维有限元划分，得到有限元模型，如图1；其中对裂纹尖端部位建立奇异单元，并进行局部细化，如图2；沿厚度方向网格的大小变化如图3。由于CT试件的对称性，因此建立1/4有限元模型；由于裂纹尖端的奇异性，对1/4有限元模型的裂纹尖端部位建立奇异单元，并局部细化区域网格；同时由于应力强度因子在靠近边界部分变化明显，因此沿厚度方向边界网格细，中心网格粗。以上两种措施，在保证计算精度的同时，通过合理划分网格，减少网格数量，保证了计算效率。

其中，带侧槽CT试件的基本尺寸为：厚度T＝10mm，宽度W＝20mm，加载销钉孔直径D＝7mm，初始裂纹长度a₀＝10mm，试件的裂纹张开端面距初始裂纹尖端l＝17mm。

(3)对有限元模型施加约束及载荷，如图4。在对称面施加对称位移约束，在一条边上约束三个方向位移，在销钉部分施加等效载荷为63.57MPa。

(4)设置应力强度因子计算。在ANSYS软件的APDL界面采用交互积分法计算应力强度因子。这种方法具有方便，快捷的特点；同时区别于位移外推法，不需要指定平面应力或平面应变条件，因此具有更高的精度。交互积分法计算应力强度因子只能通过命令输入。具体方法为：定义裂纹前沿所有节点集合，命名为“TIP”，定义裂纹张开部分任意一个节点，命名为“CRACK_OPEN_SIDE”，定义全局坐标系y方向为裂纹面法向，设置积分路径为4条，打开对称性，设置输出为全部。命令如下：

CINT，NEW，1

CINT，TYPE，SIFS

CINT，CTNC，TIP，CRACK_OPEN_SIDE

CINT，NORM，0，2

CINT，NCON，4

CINT，SYMM，ON

OUTRES，CINT，1

(5)求解，获得有限元结果；

(6)在通用后处理器中，提取有限元模型裂纹尖端各节点的应力强度因子和节点坐标，并生成输出文件。应力强度因子文件命名为“K.dat”，节点坐标文件命名为“NODES-COR.dat”，命令如下：

*create，outctrl，txt

/output，K，dat

PRCINT，1，，K1

/OUTPUT

*end

/input，outctrl，txt

CMSEL，S，TIP

*create，outctrl，txt

/output，NODES-COR，dat

NLIST，ALL，，，XYZ，Z，Z，Z

/OUTPUT

*end

/input，outctrl，txt

(7)在有限元软件中，生成批处理文件。在APDL的GUI界面，File-Write DatabaseLog to或采用命令流方式，输入LGWRITE命令生成批处理文件。本实例的批处理文件命名为“CT-VR-LARGE.lgw”。采用批处理文件，方便后面优化软件进行调用、修改几何参数和有限元计算。

(8)将应力强度因子和节点坐标输出文件导入Excel，计算。将K.dat和NODES-COR.dat文件导入Excel，按照距中心位置坐标排序，并计算内部1/2节点应力强度因子K的平均值EK_1/2；对所有K求方差，定义为SK1，将所有应力强度因子K对EK_1/2按照以下公式计算SK2，并生成Excel文件。本实例的Excel文件命名为“K.xlsx”。

上式中，n代表裂纹前沿节点总数，K_i代表第i个节点处的应力强度因子，1≤i≤n。

(9)将批处理命令流、输出文件和上述计算结果文件导入优化软件。在优化软件Isight中创建新工程，从Application Components中添加Calculator、Simcode和Excel组件，从Process Components添加Optimization，创建优化循环，如图5。将输出文件K.dat、批处理文件CT-VR-LARGE.lgw和脚本文件导入Simcode组件，其中，脚本文件是为了调用有限元计算程序；将K.xlsx生成的Excel文件导入Excel组件。

(10)在优化软件中设置变量、约束条件和优化目标。在优化软件Isight内，在Excel组件中，定义裂纹前沿所有节点的应力强度因子Ki为数组K，定义SK1为SK1，定义SK2为SK2；在Simcode组件内，定义CT-VR-LARGE.lgw文件中的几何参数底部半径r，底部圆弧圆心坐标O_v，直线段张角theta为优化变量，以厚度中心为原点，沿厚度方向为x坐标轴，垂直于裂纹扩展面方向为y坐标轴，定义点A(Ax，0)为侧槽根部与x轴的交点坐标，定义点B(Bx，By)为侧槽根部圆弧与侧槽直线段过渡的切点坐标，试件半厚度T_1/2＝5mm，定义点C(5，Cy)为侧槽直线段与试件边界交点，裂纹张开端距初始裂纹尖端距离l＝17mm，定义MB，PB，MC，PC为有限元模型裂纹尖端分区域划分奇异单元所需参数。以上参数随计算而迭代优化。将K.dat的应力强度因子Ki和Excel组件中的K建立映射关系；在Calculator组件中，定义上述优化变量和模型参数的关系，由图6，得下式：

A_X＝O_v-r

B_X＝O_v-r*cos(theta/180*pi())

B_Y＝r*sin(theta/180*pi())

C_Y＝r*sin(theta/180*pi())

+(5-O_v+r*cos(theta/180*pi()))/tan(theta/180*pi())

MB＝-17-BY

PB＝-17+BY

MC＝-17-CY

PC＝-17+CY

在Optimization中，设置优化算法为Hooke-Jeeves，优化步数为1000，设置优化变量为r，o，theta，设置约束条件Ax<4.9，Bx<5，设置优化目标为SK1，SK2达到最小值。

(11)进行优化计算，得到最终优化参数。本实施例优化计算结果如下表1，需要注意的是，计算采用的单位为(MPa√mm)，换算为(MPa√m)，则SK2＝0.0601，SK1＝0.0609。优化侧槽形状如图7。裂纹前沿应力强度因子和无侧槽对比如图8。由于优化时，保持载荷不变，侧槽变化后，导致净厚度减小，所以整体K大于无侧槽，所以再次保持侧槽形状不变，针对载荷对无侧槽内部EK_1/2进行优化计算，得载荷为61.1366MPa，再次计算，对比结果如图9。

表1

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在有限元软件中定义拉伸试件所用材料的属性；材料的属性包括弹性模量和泊松比；

(2)在有限元软件中对带侧槽试件模型进行3维有限元划分，得到有限元模型；

(3)对有限元模型施加约束及载荷；

(4)设置应力强度因子计算；

(5)求解，获得有限元结果；

(6)在通用后处理器中，提取有限元模型裂纹尖端各节点的应力强度因子和节点坐标，并生成输出文件；

(7)在有限元软件中，生成批处理文件；

(8)将步骤(6)生成的应力强度因子和节点坐标输出文件导入数据处理软件，并计算；

(9)将步骤(7)生成的批处理文件、步骤(6)生成的输出文件和步骤(8)的计算结果文件导入优化软件；

(10)在优化软件中设置变量、约束条件和优化目标；

(11)进行优化计算，得到最终优化参数。

2.根据权利要求1所述的用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，定义拉伸试件所用材料的属性是将任意一种镍基合金的弹性模量和泊松比通过命令流或GUI方式输入到有限元软件中。

3.根据权利要求1所述的用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中，建立带侧槽CT试件的1/4有限元模型，并对所述1/4有限元模型的裂纹尖端部位建立奇异单元，并局部细化区域网格；同时由于应力强度因子在靠近边界部分变化明显，因此沿厚度方向边界网格细，中心网格粗；其中，带侧槽CT试件的尺寸为：厚度T＝10mm，宽度W＝20mm，加载销钉孔直径D＝7mm，初始裂纹长度a₀＝10mm，试件的裂纹张开端面距初始裂纹尖端l＝17mm。

4.根据权利要求1所述的用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，对步骤(2)中得到的有限元模型在对称面施加对称约束，在销钉位置施加等效的压力载荷。

5.根据权利要求1所述的用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中，定义有限元模型的裂纹前沿节点集合，和裂纹张开部分任意一个节点的集合，采用交互积分法计算应力强度因子，通过命令流方式输入有限元软件，创建一个应力强度因子计算。

6.根据权利要求1所述的用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法，其特征在于：所述步骤(6)中，通过命令流方式，自动提取有限元模型裂纹尖端各节点的应力强度因子和节点坐标，并生成输出文件。

7.根据权利要求1所述的用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法，其特征在于：所述步骤(7)中，通过命令流或GUI方式将整个有限元计算过程生成批处理命令。

8.根据权利要求1所述的用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法，其特征在于：所述步骤(8)中，数据处理软件是Excel；具体步骤是：将应力强度因子和节点坐标文件导入Excel，按照距中心位置坐标排序，并计算内部1/2节点应力强度因子K的平均值EK_1/2；对所有K求方差，定义为SK1，将所有应力强度因子K对EK_1/2按照以下公式计算SK2，并生成Excel文件；

上式中，n代表裂纹前沿节点总数，K_i代表第i个节点处的应力强度因子，1≤i≤n。

9.根据权利要求1所述的用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法，其特征在于：所述步骤(9)中，在优化软件Isight中创建新工程，从Application Components中添加Calculator、Simcode和Excel组件，从Process Components添加Optimization，创建优化循环；将步骤(6)生成的输出文件、步骤(7)生成的批处理文件和脚本文件导入Simcode组件；将步骤(8)的计算结果生成为Excel文件并导入Excel组件。

10.根据权利要求1所述的用于带侧槽紧凑拉伸试件的侧槽几何优化设计方法，其特征在于：所述步骤(10)中，在优化软件Isight内，在Excel组件中，定义裂纹前沿所有节点的应力强度因子Ki为数组K，定义Excel文件中的SK1为变量SK1，定义Excel文件中的SK2为变量SK2；在Simcode组件内，定义输入文件中的几何参数底部半径r，底部圆弧圆心坐标o，直线段张角theta为优化变量，以厚度中心为原点，沿厚度方向为x坐标轴，垂直于裂纹扩展面方向为y坐标轴，定义点A(Ax，0)为侧槽根部与x轴的交点坐标，定义点B(Bx，By)为侧槽根部圆弧与侧槽直线段过渡的切点坐标，试件半厚度T_1/2＝5mm，定义点C(5，Cy)为侧槽直线段与试件边界交点，裂纹张开端距初始裂纹尖端距离l＝17mm，定义MB，PB，MC，PC为有限元模型裂纹尖端分区域划分奇异单元所需参数；以上参数随计算而迭代优化；将输出文件的应力强度因子Ki和Excel组件中的K建立映射关系；在Calculator组件中，定义上述优化变量和模型参数的关系，如下式：

AX＝o-r

BX＝o-r*cos(theta/180*pi())

BY＝r*sin(theta/180*pi())

CY＝r*sin(theta/180*pi())

+(5-o+r*cos(theta/180*pi()))/tan(theta/180*pi())

MB＝-17-BY

PB＝-17+BY

MC＝-17-CY

PC＝-17+CY

在Optimization中，设置优化算法为Hooke-Jeeves，优化步数为1000，设置优化变量为r，o，theta，设置约束条件Ax<4.9，Bx<5，设置优化目标为SK1，SK2达到最小值。