基于ABAQUS的貨叉三維裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子有限元分析

王發(fā)穩(wěn)，尹明德，呂 倩

（南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016）

0 引言

三維表面裂紋是機(jī)械結(jié)構(gòu)中常見的缺陷，也是最危險的裂紋之一，對含裂紋構(gòu)件進(jìn)行準(zhǔn)確的應(yīng)力分析是保證結(jié)構(gòu)安全可靠的關(guān)鍵。從斷裂力學(xué)角度出發(fā)，一切斷裂強(qiáng)度的評估都離不開應(yīng)力強(qiáng)度因子的求解。但是由于三維問題理論和計算的復(fù)雜性，使對三維應(yīng)力強(qiáng)度因子的研究遠(yuǎn)不如二維應(yīng)力強(qiáng)度因子那樣成熟，也沒有可參考的解析解，這給三維應(yīng)力強(qiáng)度因子研究造成了極大的困難，研究者們均借助數(shù)值方法來求解，其中最普遍的是采用有限元法。由于裂尖處應(yīng)力具有奇異性，有限元分析時需要采用奇異單元，從而導(dǎo)致有限元建模的困難。本文基于奇異單元法和斷裂力學(xué)理論，利用ABAQUS軟件研究了一種三維裂紋的建模方法，給出計算貨叉三維裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的途徑。

1 基于有限元法的三維裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子求解方法

構(gòu)件中的裂紋可以模擬為三維模型（見圖1），根據(jù)線彈性斷裂理論，I型裂紋前緣的應(yīng)力場可表示為：

其中：σx，σy，τxy均為應(yīng)力分量；r，θ為計算點在局部柱坐標(biāo)系的坐標(biāo)值；KI為對應(yīng)于I型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子。位移場可表示為：

其中：u，v為對應(yīng)于局部坐標(biāo)的位移；E，μ分別為材料的彈性模量和泊松比；k在平面應(yīng)力和平面應(yīng)變時的取值分別如下：

圖1 裂紋三維模型及前緣坐標(biāo)系

2 貨叉三維裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子計算

2.1 幾何模型、材料和截面屬性創(chuàng)建

首先在ABAQUS軟件中建立含裂紋的某型號叉車貨叉幾何模型，裂紋深度為5 mm，長為60 mm。貨叉材料是40Cr，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。然后創(chuàng)建截面屬性，先把材料屬性賦予截面屬性，再把截面屬性賦予幾何模型。

2.2 三維裂紋定義

在Interaction模塊中首先預(yù)制裂縫（assign seam），然后創(chuàng)建裂紋，類型選擇Contour integral，用向量q表示裂紋擴(kuò)展方向，最后定義奇異性。

2.3 網(wǎng)格劃分

由于裂紋前緣附近應(yīng)力具有奇異性，所以裂尖附近區(qū)域網(wǎng)格要劃分得很細(xì)，并且采用楔形單元C3D6運用掃掠技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其他區(qū)域網(wǎng)格則稀疏一些，采用六面體單元C3D8R運用結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。貨叉共劃分了10 132個單元和13 736個節(jié)點，經(jīng)過網(wǎng)格檢查和修改，網(wǎng)格質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到計算要求。這樣就建立了含三維裂紋貨叉的有限元模型，如圖2所示。圖3為裂紋區(qū)域網(wǎng)格。

圖2 含裂紋貨叉的有限元模型

圖3 裂紋區(qū)域網(wǎng)格

2.4 載荷和邊界條件定義以及分析步和輸出變量設(shè)置

貨叉通過掛鉤掛接在叉架的橫梁之上，同時貨叉的下掛鉤緊扣于下橫梁。根據(jù)實際情況對約束進(jìn)行簡化，定義貨叉的上掛鉤下表面和下掛鉤的上表面為全自由度約束。根據(jù)本文定義的工況，貨叉只受到額定貨物的載荷，采用施加面壓力的方法對貨叉上表面施加載荷。貨叉上表面的等效面載荷為0.116 MPa。

進(jìn)入分析步模塊，輸出變量選擇“Stress intensity factor”，裂紋開裂準(zhǔn)則選擇“最大切應(yīng)力”。最后提交作業(yè)，進(jìn)行計算。

3 計算結(jié)果及分析

ABAQUS中應(yīng)力強(qiáng)度因子求解完成后可以查看Mises應(yīng)力云圖（見圖4），在.dat文件中可查看應(yīng)力強(qiáng)度因子KI值。

同樣的方法得到裂紋深度10 mm、15 mm、20 mm和25 mm時貨叉的Mises應(yīng)力云圖，如圖5～圖8所示。

圖4 裂紋前緣Mises應(yīng)力云圖（裂深5 mm）

圖5 裂紋前緣Mises應(yīng)力云圖 （裂深10 mm）

圖6 裂紋前緣Mises應(yīng)力云圖 （裂深15 mm）

圖7 裂紋前緣Mises應(yīng)力云圖（裂深20 mm）

圖8 裂紋前緣Mises應(yīng)力云圖（裂深25 mm）

從以上裂紋前緣Mises應(yīng)力云圖中可以看出，最大Mises應(yīng)力都出現(xiàn)在裂紋前緣，這是因為裂紋前緣具有應(yīng)力集中，得出的結(jié)果與理論分析一致。

由于裂紋前緣各個節(jié)點處受力不同，所以裂紋前緣不同節(jié)點的KI值不同。沿著裂紋前緣從貨叉一側(cè)面到另一側(cè)面共有14個節(jié)點，因此得到14個KI值，見表1。

圖9為KI值隨裂紋深度的變化趨勢。由圖9可知，貨叉三維裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子KI隨裂紋深度的增加而增加，并且KI值隨貨叉三維裂紋前緣節(jié)點呈對稱分布。若設(shè)貨叉材料的斷裂韌度為KIC，應(yīng)用脆性斷裂的K準(zhǔn)則，當(dāng)KI大于KIC時裂紋失穩(wěn)迅速擴(kuò)展，對應(yīng)的載荷即為斷裂載荷；當(dāng)KI小于KIC時，說明含有裂紋的貨叉在該工況下仍具有剩余強(qiáng)度。

4 結(jié)語

對于復(fù)雜三維裂紋的分析，有限元法是一種切實有效的途徑。本文利用ABAQUS軟件，基于奇異單元法和斷裂力學(xué)理論對某型號叉車貨叉三維裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明：奇異單元法可以很好地模擬裂紋前緣的應(yīng)力奇異性，貨叉三維裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子隨裂紋深度的增加而增加，并且應(yīng)力強(qiáng)度因子隨貨叉三維裂紋前緣節(jié)點呈對稱分布。本研究為預(yù)測含裂紋貨叉的承載能力和剩余壽命、制定判廢標(biāo)準(zhǔn)等提供了相關(guān)的疲勞斷裂分析參數(shù)。

表1 不同裂紋深度的K I值

圖9 K I值隨裂紋深度的變化趨勢

［1］ 褚武揚.斷裂力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版社，1979.

［2］ 馬曉峰.ABAQUS 6.11中文版有限元分析從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

［3］ 譚曉明，陳躍良，段成美.三維多裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的有限元分析［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2004，26（5）：195－198.

［4］ Chong Rhee H.Stress intensity factor evaluation from displacements along arbitrary crack tip radial lines for warped surface flaws［J］.Engng Frac Mech，1989，32（5）：723－730.

［5］ Fehl B D，Truman K Z.An evaluation of fracture mechanics quarter point displacement techniques used for computing stress intensity factors［J］. Engineering Structures，1999，21：406－415.

［6］ Vainshtok V A，Varfolimeyev I V. Application of theweight function method for determining stress intensityfactors of semi elliptical crack ［J］.Int J Fracture，1987，35：175－186.