(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210575044.1 (22)申请日 2022.05.25 (71)申请人 中国民用航空飞行 学院 地址 618307 四川省德阳市广汉市南昌路 四段46号 (72)发明人 张艳艳　国峰楠　周斌　丰世林　 叶梯　 (74)专利代理 机构 辽宁鸿文知识产权代理有限 公司 21102 专利代理师 许明章　王海波 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/24(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 强瞬态热载荷下多界面非均匀材料裂纹扩 展数值模拟方法 (57)摘要 本发明属于非均匀材料瞬态热断裂的技术 领域， 公开一种强 瞬态热载荷下多界面非均匀材 料裂纹扩展数值模拟方法， 包括步骤： 在Matlab 中建立含裂纹的非均匀材料数值模 型， 设置材料 热力学参数， 基于线性加速度 原理获得瞬态温度 场， 通过瞬态相互作用积分提取多界面非均匀材 料内裂纹尖端的瞬态应力强度因子。 基于断裂理 论获得非均匀材料内的裂纹扩展关键参数。 本发 明提供的瞬态热载荷下多界面非均匀材料裂纹 扩展的数值模拟方法， 具有高效性、 低成本、 计算 准确的特点， 工程应用前景好。 能够考虑瞬态传 热过程的传热延迟效应， 方便快捷地对瞬态热载 荷下多界面非均匀材料的裂纹扩展进行模拟， 对 非均匀材 料的工程设计和评价 提供设计依据。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 115114816 A 2022.09.27 CN 115114816 A 1.一种强瞬态热 载荷下裂纹扩展数值模拟方法， 其特 征在于， 步骤如下： 步骤一： 建立含裂纹的非均匀材料数值模型， 包括划分网格， 定义节点和单元， 定义热 膨胀系数、 热传导率、 杨氏模量、 密度及比热材料参数为空间坐标的任意解析函数形式， 设 定裂纹长度和角度； 对非均匀材料数值模型施加强瞬态热载荷， 基于线性加速度原理求解 非均匀材 料数值模型的瞬态温度场， 其数值迭代公式为 式中， T是非均匀材料内的温度， [K1]是热传导方程的导热矩阵， [K2]是热传导方程的对 流矩阵， [K3]是热传导方程的热容矩阵， [ M]是热传导方程的热延迟矩阵， 是等效刚度 矩 阵， 是等效热 载荷矩阵， Δt是迭代步长， n 为迭代步， δ1～ δ6为常系数参数； 步骤二： 需要将步骤一得到的非均匀材料内的温度以热应变形式叠加到非均匀材料的 机械应变中， 最终形成非均匀材 料的总应 变， 其中温度和应 变的热本构方程 为： εheat＝α ΔT[1 1 1 0 0 0]T 式中， εheat是由温度引起的热应 变， α 是热膨胀系数， ΔT是非均匀材 料内的温差； 进一步计算非均匀材料内的实 际场， 实际场包括实 际应力场、 实 际位移场及实 际应变 场， 其中， 实际应变由热应变和机械应变叠加而成； 在裂纹尖端积分区域内引入辅助场， 辅 助场包括辅助应力场、 辅助位移场及辅助应变场， 将裂纹尖端的积分区域内的辅助场和实 际场带入相互作用积分， 进一 步获得含温度项和界面项的相互作用形式如下： 式中， δ是克罗内克符号， σ 是裂纹尖端积分区域内的应力， u是裂纹尖端积分区域内的 位移， ε是裂纹尖端积分区域内应变， 下标i， j， k， l是上述张量的哑标取值范围是1、 2、 3、 4， Ω是裂纹尖端积分区域， q是权函数取值范围是0～1， T是非均匀材料 内的温度， T0非均匀材 料内初始温度， α是非均匀材料的热膨胀系数， θ1是界面曲线坐标系与直角坐标系夹角， 上 标aux代表辅助场量， 上 标act代表真实场量， 上 标1、 2、 3代 表界面两侧不同材 料； 基于相互作用积分、 能量原理及瞬态应力强度因子的等价关系， 进一步提取裂纹尖端权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115114816 A 2瞬态热应力强度因子： 式中， G是能量释放率， E是杨氏模量， KI和KII分别是I‑型热应力强度因子和II ‑型热应 力强度因子； 非均匀材料 的瞬态热应力强度 因子通过瞬态相互作用积分直接提取， 此方法 中裂纹尖端的积分围道区域Ω包 含多种材 料， 本方法适用于多界面材 料； 步骤三： 利用步骤二提取的瞬态应力强度因子， 结合最大周应力准则和断裂准则给出 混合型裂纹的瞬时裂纹扩展长度和裂纹开裂角， 提供强瞬态热载荷下裂纹扩展模拟的关键 参数， 带入步骤一中非均匀材 料数值模型， 实现瞬态热 载荷下裂纹扩展模拟； 裂纹扩展关键参数通过最大周应力准则和断裂准则为判据， 步骤三中强瞬态热载荷下 所有瞬时断裂参数参与裂纹开裂判断， 同时基于最大周应力准则计算裂纹开裂角： 式中， KIe(a)是等效 瞬态热应力强度因子， θc是裂纹开裂角， a是裂纹长度。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115114816 A 3