[发明专利]一种含裂纹金属梯度材料剩余强度预测方法

说明书

技术领域

本发明属于金属梯度材料力学性能的模拟仿真，更具体地说是一种含裂纹金属梯度材料剩余强度预测方法。

背景技术

金属梯度材料是伴随现代增材制造（3D打印）工艺的发展，参考功能梯度材料变更材料组份以实现特定功能的设计理念，加工得到的不同金属组份含量沿特定方向变化的新型复合材料体系。此材料不仅保留了传统金属材料特性仍然适用于结构承力部位，同时减少了部件之间机械连接造成的薄弱环节，并能如同功能梯度材料根据设计需要实现特定功能。

对于金属材料，由于自身细观缺陷及使用过程中循环载荷的作用，结构内部往往存在裂纹，含裂纹结构的静承载能力即为该结构的剩余强度，为防止灾难性破坏，剩余强度的预测对结构断裂安全性评估十分重要。长期以来国内外对于均匀金属材料的剩余强度已进行大量工作，力图获得剩余强度随裂纹增长的变化规律，并就已知可能的裂纹尺寸，预测是否满足剩余强度要求。

线弹性断裂力学经过长期的实践与理论研究，建立了裂纹扩展的K≥K_IC破坏准则，其中K为线弹性状态下裂纹尖端的应力强度因子，K_IC为断裂韧性，是与材料有关的性能常数。对于传统均匀金属材料，K值有相应的计算方法，然而对于金属梯度材料，已有的预测技术不再适用，包括：

1)裂纹尖端应力场变化剧烈及r^-1/2奇异性，通过传统有限单元法计算裂尖应力强度因子需要细分网格。对于金属梯度材料，由于材料性能的变化，裂尖的应力分布更加复杂，对网格质量要求更高，计算成本过大，存在较大累积误差，如沈逸文等发表的《金属梯度材料应力强度因子研究》的论文中则采用在构建有限元模型时细分网格的方法来计算裂尖应力强度因子；

2)使用扩展单元可以有效减少裂尖网格数量并降低计算成本。但对于金属梯度材料，已有的扩展单元并不能实现单元内部材料性能的变化，为模拟材料性能的梯度变化，网格单元尺度仍有较高要求；

3)由于材料性能梯度变化，应力强度因子计算不再与积分路径无关，传统计算方法会造成极大误差，不再适用；

4)对于梯度材料，断裂韧性K_IC不再为定值，而是与裂尖所在位置处材料组份相关的变量。

发明内容

本发明克服了现有技术中通过对有限元模型细分网格从而导致计算成本过大且存在较大累积误差的缺陷，采用扩展单元间断的位移插值函数表征模型中裂纹行为，以裂纹长度a为变量，追踪裂尖所在位置动态判断K≥K_IC，以确定裂纹是否扩展，实现梯度材料的剩余强度预测。

为解决上述技术问题，本发明公开一种含裂纹金属梯度材料剩余强度预测方法，具体包括以下步骤：

步骤1、构建该金属梯度材料的有限元模型，该有限元模型中以裂纹尖端所在单元的节点作为裂尖强化节点，以裂纹段所在单元的节点作为裂纹段强化节点，其余节点均为常规节点，其中裂纹尖端所在单元与裂纹段所在单元的交汇节点归为裂尖强化节点，并对所有节点进行编号；

步骤2、将所有的裂尖强化节点纳入裂纹尖端强化节点集N_Λ，所有的裂纹段强化节点裂纹段强化节点集N_Γ；

步骤3、获取梯度区范围内所有节点对应材料的弹性模量E、泊松比μ和断裂韧性K_IC沿y方向的线性变化关系式，如下：