(19)中华 人民共和国 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 202111583850.5 (22)申请日 2021.12.2 2 (71)申请人 中国矿业大 学 地址 221000 江苏省徐州市大 学路1号 (72)发明人 丁北斗　秦天琦　张慧明　王钰驰　 周伟　王佳辉　 (74)专利代理 机构 徐州市三联专利事务所 32220 代理人 潘显端 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G16C 60/00(2019.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/04(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于扩展有限元的圆钢管相贯节点高周疲 劳数值模拟方法 (57)摘要 本发明属于结构工程领域， 具体涉及一种基 于扩展有 限元的圆钢管相贯节点高周疲劳数值 模拟方法， 包括如下步骤： 根据相贯节点试件所 用材料的力学性能和规格尺寸， 在软件平台中建 立含初始 裂纹的圆钢管相贯节 点数值模型； 利用 扩展有限元法和水平集函数， 定义裂纹区域， 以 求取裂纹前沿应力强度因子； 施加荷载和边界条 件； 建立相贯节点高周疲劳裂纹扩展程序； 将高 周疲劳裂纹扩展程序植入软件平台进行运算； 对 模拟数据进行处理， 得到相贯节 点疲劳裂纹的扩 展速率曲线， 并将结果与试验对比， 验证模拟结 果的有效性。 本申请避免了有限单元法在模拟此 问题时每扩 展一个增量 步就需网格 重构。 权利要求书3页 说明书8页 附图5页 CN 114239117 A 2022.03.25 CN 114239117 A 1.一种基于扩展有限元的圆钢管相贯节点高周疲劳数值模拟方法， 其特征在于， 包括 如下步骤： 步骤1、 根据相贯节点试件所用材料的力学性能和规格尺寸， 在软件平台中建立含初始 裂纹的圆钢管相贯节点数值模型； 步骤2、 利用扩展有限元法和水平集函数， 定义裂纹区域， 以求取裂纹前沿应力强度因 子， 应力强度因子计算方法为： 式中， KI， KII， KIII分别为Ⅰ型裂纹、Ⅱ型裂纹和 Ⅲ型裂纹所对应的应力强度因子； JI int， JII int， JIII int分别为Ⅰ型裂纹、Ⅱ型裂纹和 Ⅲ型裂纹所对应的相互作用J积分； B为对数能量系 统矩阵； 步骤3、 施加荷载和边界条件； 步骤4、 建立相贯节点高周疲劳裂纹扩展程序， 具体包括： 疲劳裂纹扩展准则的建立、 疲 劳裂纹扩展方向的确定、 应力强度 因子和裂纹前沿坐标提取方法、 下一个增 量步裂纹扩展 增量的计算方法、 下一个增 量步裂纹前沿坐标的计算方法、 下一个增量步裂纹模型 的更新 方法； 步骤5、 将高周疲劳裂纹扩展程序植入软件平台进行运算； 对模拟数据进行处理， 得到 相贯节点 疲劳裂纹的扩展速率曲线， 并将结果与试验 对比， 验证模拟结果的有效性。 2.根据权利要求1所述的基于扩展有限元的圆钢管相贯节点高周疲劳数值模拟方法， 其特征在于， 步骤1中， 基于坐标映射法在软件平台中建立含初始裂纹的圆钢管相贯节点数 值模型。 3.根据权利要求1所述的基于扩展有限元的圆钢管相贯节点高周疲劳数值模拟方法， 其特征在于， 步骤2中， 通过水平 集函数， 将含有裂纹的网格单元分为三种类型， 分别为裂纹 未穿过单元、 裂纹完全穿透单元和裂纹未完全穿透单元； 对第一种单元， 采用与有限单元法 相同的位移场计算方法， 而对后两种单 元需对位移场进行修 正， 具体表达式为： 式中， 为裂纹未穿过单元的位移场； 为裂纹完全穿过单元的位 移场， 其中ai为节点自由度， H(x)为水平集函数， 其计算公式为 x 为一个积分点， x*为裂纹面上距积分点最近的一点， n为x*在裂纹面上的法向向量； 为裂纹未完全穿透单元的位移场， bi为节点自由度， F(x)为极坐标系下裂纹 未完全穿透单 元扩充函数； 根据网格单元位移场， 可得到各网格单元积分点处 的应力以及总体网格各节点处 的应 力， 通过应力场得到裂纹的相互作用J积分， 进 而可得到裂纹的应力强度因子 。 4.根据权利要求1所述的基于扩展有限元的圆钢管相贯节点高周疲劳数值模拟方法， 其特征在于， 步骤2中， 由于圆钢管相贯节 点的疲劳裂纹为 Ⅰ型裂纹、Ⅱ型裂纹和 Ⅲ型裂纹构权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114239117 A 2成的混合裂纹， 故需根据 Ⅰ型裂纹所对应的应力强度因子、 Ⅱ型裂纹所对应的应力强度因子 和Ⅲ型裂纹所对应的应力强度因子计算出等效应力强度因子， 计算公式为： 式中B为经验参数， 取1.0； ΔKI， ΔKII， ΔKIII， ΔKeq分别为Ⅰ型裂纹、 II型裂纹和III型裂 纹所对应的应力强度因子增量和等效应力强度因子增量； 应力强度因子增量的计算方法 为： △K＝Kmax‑Kmin 式中Kmax为常幅荷载作用下荷载最大值所得到的应力强度因子， Kmin为常幅荷载作用下 荷载最小值所 得到的应力强度因子 。 5.根据权利要求4所述的基于扩展有限元的圆钢管相贯节点高周疲劳数值模拟方法， 其特征在于， 步骤4中， 疲劳裂纹扩展准则采用Paris准则， 准则表达式为： 式中， a为裂纹长度， N为疲劳荷载循环次数， C和m为材料参数； 其中C取2.66704 ×10‑ 11m/圈， m取2.75 。 6.根据权利要求4所述的基于扩展有限元的圆钢管相贯节点高周疲劳数值模拟方法， 其特征在于， 步骤4中， 疲劳裂纹扩展方向采用三维最大周向应力准则， 准则表达式为： 式中， ΔKIeq为考虑Ⅲ型应力强度因子影响的等效应力强度因子增量， 表达式为： △KIeq＝△KI+B|△KII| 式中， B为经验参数， 取1.0 。 7.根据权利要求4所述的基于扩展有限元的圆钢管相贯节点高周疲劳数值模拟方法， 其特征在于， 步骤4中， 应力强度因子和裂纹前沿坐标的提取方法为： 依 次进行设置输出历 程变量、 提交作业生 成.odb文件、 确定结果文件路径和名称、 提取应力强度因子和裂纹前沿 坐标， 最终结果输入.txt文件。 8.根据权利要求4所述的基于扩展有限元的圆钢管相贯节点高周疲劳数值模拟方法， 其特征在于， 步骤4中， 下一个增量步裂纹扩展增量的计算方法取决于疲劳裂纹扩展的控制 方法； 疲劳裂纹扩展的控制方法采用荷载循环次数控制或采用单个增量步裂纹最大扩展增 量控制； 荷载循环次数控制为实 际荷载每发生ΔN次循环就进行一次疲劳裂纹扩展分析， 获取 裂纹前沿的应力强度因子分布情况和下一个增量步裂纹前沿离散点的坐标， 该方法裂纹扩 展增量的计算方法为： △ai＝C(△Keq,i)m△N 单个增量步裂纹最大扩展增量控制为根据裂纹前沿应力强度因子分布情况， 规定应力 强度因子最大的点扩展长度为 最大扩展增量Δamax， 其余各点的扩展增量 根据下式计算：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114239117 A 3