[发明专利]基于累积剪切应变损伤变量的微观疲劳裂纹扩展模拟方法

说明书

该发明涉及疲劳裂纹扩展数值模拟技术领域，尤其涉及一种基于累积剪切应变损伤变量的微观疲劳裂纹扩展模拟方法，包括：生成Voronoi图；完成代表性体积单元的建立；编写UDMGINI损伤子程序并将其嵌入UMAT子程序；在有限元计算时嵌入UMAT子程序，得到晶体塑性结果参量；UDMGINI子程序对晶体塑性结果参量进行调用，计算各滑移系的累积剪切应变，选择累积剪切应变最大的滑移系为最活跃滑移系；当最活跃滑移系上累积剪切应变达到临界值时，判定裂纹扩展。该方法实现了多晶材料在微观尺度下的疲劳裂纹扩展。

技术领域

该发明涉及疲劳数值模拟技术领域，尤其涉及一种基于累积剪切应变损伤变量的微观疲劳裂纹扩展模拟方法。

背景技术

疲劳是影响结构寿命与可靠性的重要因素。据统计，80％以上的工程结构破坏与疲劳有关。十九世纪初期，发生于铁路机车、铁轨以及桥梁的疲劳断裂最早引起了人们对疲劳问题的关注。近年来，由于航空技术的迅速兴起，对材料疲劳失效问题进行深入的研究愈加迫切。

材料疲劳失效行为的演化过程往往由应力集中、损伤、微观疲劳裂纹萌生、微观疲劳裂纹扩展、宏观疲劳裂纹扩展和失效组成，随着研究的深入，人们发现仅凭宏观尺度下的研究还不足以完全理解疲劳行为，微观尺度下的疲劳裂纹扩展行为逐渐成为研究者们关注的焦点。

对微观尺度下的裂纹扩展行为展开研究时，比较常用的方法有实验法和有限元法，但疲劳实验具有成本高、耗费长等缺点，且采用实验的方法时，往往需要从结构中进行取样，这对结构本身就是一种损害。随着计算能力的不断提高，有限元法越来越显示出其独特的优越性，尤其是晶体塑性有限元技术，为复杂条件下的疲劳研究提供了重要支撑，特别对于材料的微观力学行为和显微组织影响下的变形机理贡献尤为显著。

裂纹扩展行为的研究过程中，裂纹尖端网格的处理作为关注的焦点所在，常用的方法有节点释放技术、嵌入非连续模型、网格重划分技术、虚拟裂纹闭合技术、和内聚力模型方法。这些方法往往对于网格的质量要求过高，且在不连续力学问题中易发生不收敛情况。随着计算机技术的发展，无网格法和扩展有限元法应运而生，由于扩展有限元法不依赖于网格的划分，在求解不连续力学问题中较为高效，可实现裂纹的全自动扩展模拟，故在对疲劳裂纹扩展行为的研究中具有独特的优势。

在现有的、基于扩展有限元法的、微观尺度疲劳裂纹扩展的研究中，已实现了对单晶材料疲劳裂纹扩展的数值模拟，但基于单晶材料预测的疲劳裂纹扩展路径呈一条直线，不能反映晶粒取向影响下的裂纹偏转现象，也不能反映滑移和位错对裂纹扩展速率的影响。

基于此，为了准确描述多晶材料在微观尺度下的疲劳裂纹扩展行为，本发明提供了一种结合晶体塑性有限元技术和扩展有限元技术的、基于累积剪切应变损伤变量的、多晶材料微观疲劳裂纹扩展数值模拟方法。

发明内容

该发明拟解决的技术问题是针对以上不足，提供一种基于累积剪切应变损伤变量的微观疲劳裂纹扩展模拟方法，本方法可通过数值模拟实现多晶材料的微观疲劳裂纹扩展，并获得与微观疲劳裂纹扩展相关的一系列关键指标，如循环周次、疲劳裂纹扩展速率等。

为解决以上问题，该发明采用的技术方案如下：

一种基于累积剪切应变损伤变量的微观疲劳裂纹扩展模拟方法，包括以下步骤：

S1、通过Matlab语言生成多晶材料的Voronoi图和对应的随机晶粒取向；

S2、在ABAQUS中通过布尔运算对多晶材料建立代表性体积单元，通过Python 语言读取S1中Voronoi图的拓扑信息和每个晶粒的取向信息，随同材料参数批量赋予到每个晶粒中；

S3、编写用户自定义损伤子程序UDMGINI，将其嵌入至用户自定义材料子程序UMAT中；

S4、将UMAT子程序嵌入ABAQUS软件，进行有限元计算，生成每一增量步对应的应力增量和塑性应变增量，并基于此对当前时刻的应力应变状态值进行更新；