(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 202210916207.8 (22)申请日 2022.08.01 (71)申请人 西安航空制动科技有限公司 地址 713106 陕西省西安市高新区科技七 路五号 (72)发明人 宁睿　杨金日　王媛媛　王钧　 李柯润　 (74)专利代理 机构 西安凯多 思知识产权代理事 务所(普通 合伙) 61290 专利代理师 康进兴 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 113/26(2020.01) G06F 119/02(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种疲劳裂纹扩展寿命扩展有限元分析方 法 (57)摘要 本发明涉及一种疲劳裂纹扩展寿命扩展有 限元分析方法， 包括如下步骤： 建立三维实体模 型、 简化三维实体模型、 求取疲劳裂纹尖端应力 分布、 求取疲劳裂纹扩展寿命。 所述求取疲劳裂 纹扩展寿命的过程包括测量金属结构件疲劳裂 纹的长度、 计算金属结构 件疲劳裂纹尖端的临界 等效应变能释放率、 计算疲劳裂纹扩展寿命。 本 发明方法将虚拟裂纹闭合技术应用于扩展有 限 元方法中， 达到无需预制指定裂纹扩展路径即可 模拟裂纹扩展的目的， 从而在裂纹尖端可以自动 生成精细化网格， 节省了建模所需要的时间， 减 少了工作量， 提高了裂纹扩展寿命计算的准确 度。 权利要求书2页 说明书6页 附图1页 CN 115458079 A 2022.12.09 CN 115458079 A 1.一种疲劳裂纹扩展 寿命扩展有限元分析 方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤1， 建立 三维实体模型： 采用CATIA三维建模软件根据金属结构件实物尺寸， 建立建模三维结构模型， 得到金属 结构件三维 实体模型； 步骤2， 简化 三维实体模型： 当建立的金属结构件三维实体模型存在圆角、 倒角及小孔等应力集中大的部位时， 对 三维实体模型进行简化， 删除三维实体模型中的圆角、 倒角及小孔， 得到简化三维实体模 型； 当建立的金属结构件三维实体模型不存在圆角、 倒角及小孔等应力集中大的部位时， 金属结构件三维 实体模型即为简化 三维实体模型； 步骤3， 求取疲劳裂纹尖端应力分布： 将步骤2得到的简化三维实体模型导入ABAQUS有限元分析软件中， 根据金属结构件真 实疲劳载荷谱通过ABAQUS软件LOAD模块施加在简化三维实体模型上， 通过ABAQUS有限元分 析软件得到疲劳裂纹尖端的应力分布； 步骤4， 求取疲劳裂纹扩展 寿命： 将步骤3所述疲劳裂纹尖端应力分布带入ABAQUS有限元软件中， 基于结合虚拟裂纹闭 合技术的扩展有限元方法， 进行疲劳裂纹扩展寿命计算， 得到不同循环数条件下 的疲劳裂 纹扩展寿命,即为 疲劳裂纹扩展 寿命。 2.根据权利要求1所述的疲劳裂纹扩展寿命扩展有限元分析方法， 其特征在于， 所述步 骤4， 进一 步包括： 基于虚拟裂纹闭合 技术的扩展 有限元方法， 计算 疲劳裂纹扩展 寿命的过程是： 第一步， 测量金属结构件疲劳裂纹的长度： 使用裂纹检测仪测量疲劳裂纹的长度， 将裂纹检测仪起始位置与疲劳裂纹尖端对齐， 测量疲劳裂纹的长度， 即为金属结构件疲劳裂纹的长度a； 第二步， 计算金属结构件疲劳裂纹尖端的临界等效应 变能释放 率： 按力学特征， 裂纹分为三种类型， 分别为Ι型、 Ι Ι型和Ι Ι Ι型， Ι型为张开型、 Ι Ι型为滑开 型、 Ι Ι Ι 型为 撕开型； 裂纹扩展准则为： 当裂纹尖端的应力强度因子 K大于临界应力强度因子 Kc时， 裂纹失稳， 即裂纹扩展； 当裂 纹尖端的应力强度因子K小于或等于临界应力强度因子Kc时， 裂纹不扩展； 依据裂纹扩展过程与闭合过程能量守恒的原则， Ι 型裂纹扩展的能量释放率 GΙ的计算如 下式： 式(1)中， KΙ为Ι 型应力强度因子， E为材 料的弹性模型； Ι 型应力强度因子KΙ的值按下式计算得 出； 式(2)中， α 为Ι 型裂纹的几何形状因子， σ 为 正应力， a为裂纹长度；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115458079 A 2依据疲劳裂纹扩展过程与闭合过程能量守恒的原则， Ι Ι型裂纹扩展的能量释放率GII的 计算如下式： 式(3)中， KΙ Ι为Ι Ι 型应力强度因子， υ为材 料的泊松比； Ι Ι 型应力强度因子KΙ Ι的值按下式计算得 出； 式(4)中， β 为Ι Ι 型裂纹的几何形状因子， τ 为 面内切应力； 依据疲劳裂纹扩展过程与闭合过程能量守恒的原则， Ι Ι Ι型裂纹扩展的能量释放率GIII 的计算如下式： 式(5)中， KΙ Ι Ι为Ι Ι Ι 型应力强度因子； Ι Ι Ι 型应力强度因子KΙ Ι Ι的值按下式计算得 出； 式(6)中， γ为Ι Ι Ι 型裂纹的几何形状因子， τl为面外切应力； 采用Reeder准则， 求取金属结构件疲劳裂纹尖端的临界等效应变能释 放率Gequiv的计算 公式如下： 式(7)中， GΙ， GΙ Ι和GΙ Ι Ι分别为Ι型裂纹， Ι Ι型裂纹和 Ι Ι Ι型裂纹对应的应变能释放率， GΙC， GΙ ΙC和GΙ Ι ΙC分别为Ι型裂纹， Ι Ι型裂纹和 Ι Ι Ι型裂纹对应的临界应变能释放率； η为损伤因子， η＝1.5； 得到金属结构件疲劳裂纹尖端的临界等效应 变能释放 率Gequiv； 第三步， 计算疲劳裂纹扩展 寿命： 将金属结构件疲劳裂纹尖端的裂纹长度a和临界等效应变能释 放率Gequiv带入ABAQUS有 限元软件中， 结合步骤3得到的金属结构件疲劳裂纹尖端的疲劳裂纹扩展应力分布， 运行 ABAQUS有限元 软件， 得到金属结构件的疲劳裂纹扩展 寿命， 即为 疲劳裂纹扩展 寿命。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115458079 A 3