022Cr17Ni12Mo2不銹鋼缺口件有限元模擬

邵 寧， 金 丹

(沈陽化工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

022Cr17Ni12Mo2不銹鋼與碳素鋼相比因具備高抗拉強度、低屈服點、極好的塑性和韌性，而且在焊接性能和冷彎成型工藝性能方面表現(xiàn)也尤為突出，所以,在各種儲槽、塔器、反應(yīng)釜等壓力容器制造領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用.

當(dāng)前已有大量學(xué)者在有限元模擬試驗方面進(jìn)行了相關(guān)研究.金丹[1]等通過ANSYS軟件，采用Von Mises屈服準(zhǔn)則、多線性隨動硬化律對Mod.9Cr-1Mo鐵素體鋼V形缺口件進(jìn)行有限元模擬分析，其模擬試驗結(jié)果顯示，缺口根部在各個路徑下的模擬分析中均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象；蔣春松[2]等通過Abaqus軟件針對022Cr17Ni12Mo2不銹鋼的彎曲過程進(jìn)行了微觀有限元模擬，其模擬試驗結(jié)果顯示，數(shù)值模型表現(xiàn)為接觸面的壓應(yīng)力分布為中間小，向邊緣地帶程遞增趨勢，且最大值區(qū)域為相對靠近邊緣地帶；張星[3]等通過ANSYS軟件建立022Cr17Ni12Mo2不銹鋼納米壓痕試驗的有限元模型，并分析了TiN薄膜與基體的結(jié)合性能，其模擬試驗結(jié)果顯示，結(jié)合性能明顯高于純鈦薄膜，并通過這一模擬試驗驗證了此有限元模擬方法的可行性；周強等[4]通過有限元模擬研究了不同缺口形式對材料的低周疲勞壽命的影響，討論了圓角半徑及缺口深度對應(yīng)力集中與疲勞壽命的影響程度；李江華[5]通過Abaqus軟件，采用非線性隨動硬化及各向同性強化混合模型，針對316L不銹鋼進(jìn)行應(yīng)變控制有限元分析，其模擬試驗結(jié)果可以較好地體現(xiàn)試驗中的初始循環(huán)硬化現(xiàn)象，并同時驗證了該混合模型的可行性.

本文針對022Cr17Ni12Mo2不銹鋼半圓形缺口件和U形缺口件進(jìn)行拉-拉疲勞試驗，采用Abaqus軟件進(jìn)行單軸彈塑性有限元模擬，并將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析.

1 疲勞試驗

試驗材料為022Cr17Ni12Mo2不銹鋼，材料的化學(xué)成分如表1所示.經(jīng)過1 080 ℃的保溫再經(jīng)水冷處理后，加工成標(biāo)準(zhǔn)板材試樣，試樣的尺寸(單位：mm)及形狀如圖1和圖2所示(厚度為1 mm)，試件的制備參考文獻(xiàn)[6]，理論應(yīng)力集中系數(shù)參照應(yīng)力集中手冊[7]得到，均為2.4，處理后屈服強度σy=247 MPa，拉伸強度σb=564 MPa，楊氏模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3.試驗在EUF-1020電子萬能疲勞試驗機上進(jìn)行，三角波形控制，標(biāo)距段3.5 mm，正應(yīng)力水平下降半壽命載荷的25 %即為失效.試驗條件及試驗結(jié)果如表2所示.

表1 316L不銹鋼的化學(xué)成分

圖1 半圓形缺口試件

圖2 U形缺口試件

表2 疲勞試驗條件及試驗結(jié)果

2 有限元分析

2.1 定義材料屬性

在定義材料屬性的過程當(dāng)中，需要將該模型解析為非線性隨動硬化模型和各向同性模型，進(jìn)而求解其各自參數(shù).在針對非線性隨動硬化模型中，其背應(yīng)力為[5]：

(1)

εp為塑性應(yīng)變；γ、c為隨動硬化參數(shù)，γ為塑性變形增加時隨動強化模量減小的比率，c為隨動硬化模量初始值.

在針對各向同性模型分析中，屈服面半徑為：

r(p)=Q(1-e-bp)

(2)

p為累積塑性應(yīng)變；b、Q為等向硬化參數(shù)，b為隨塑性應(yīng)變發(fā)展屈服面變化的比率，Q為屈服面的最大變化值.

表3為對半圓形缺口件和U形缺口件在同一應(yīng)力水平加載條件下試驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果.

表3 材料的彈性及硬化常數(shù)

2.2 模型建立和網(wǎng)格劃分

取半圓形缺口件和U形缺口件的標(biāo)距段進(jìn)行模擬試驗，將中軸型算法定義為網(wǎng)格屬性，此算法可在兩種缺口形式的試件缺口根部利用最小網(wǎng)格進(jìn)行過渡.其中，半圓形缺口件的模型單元數(shù)為2 796，模型節(jié)點為4 987；U形缺口件的模型單元數(shù)為3 587，模型節(jié)點數(shù)為6 831.具體模型實例如圖3、圖4所示.

圖3 半圓形缺口件有限元模型及網(wǎng)格

圖4 U形缺口件有限元模型及網(wǎng)格

2.3 有限元模擬結(jié)果分析

將疲勞試驗結(jié)果和有限元模擬結(jié)果繪制于同一張圖中，其面載荷為442 MPa，循環(huán)周次為200圈.對比結(jié)果如圖5、圖6所示.

對比分析試驗結(jié)果與有限元模擬結(jié)果，對于半圓形缺口件，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的最大應(yīng)力值誤差為2.1 %，最大應(yīng)變值誤差為1.8 %；對于U形缺口件，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的最大應(yīng)力值誤差為3.6 %，最大應(yīng)變值誤差為9.7 %.

圖5 半圓形缺口件模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比

圖6 U形缺口件模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比

3 結(jié) 論

針對022Cr17Ni12Mo2不銹鋼半圓形缺口件和U形缺口試件進(jìn)行了應(yīng)力控制低周疲勞試驗和有限元模擬試驗，并對比其結(jié)果，得到以下結(jié)論:

(1) 對022Cr17Ni12Mo2不銹鋼進(jìn)行有限元分析時，采用非線性隨動硬化模型以及各向同性模型；將應(yīng)力轉(zhuǎn)換為面載荷后運用Abaqus中的Function功能進(jìn)行載荷加載來實現(xiàn)試驗要求，結(jié)果表明材料屬性定義及邊界條件的應(yīng)用均合理；

(2) 對比模擬路徑結(jié)果與試驗路徑可以看出：有限元模擬能很好地實現(xiàn)試驗路徑，模擬得到的應(yīng)力應(yīng)變滯回線與試驗結(jié)果存在著不同程度的誤差，但就整體而言模擬結(jié)果比較滿意.

[1] 金丹,田大將,王巍,等.非比例載荷下缺口件疲勞壽命預(yù)測[J].工程力學(xué),2014,31(10):212-215.

[2] 蔣春松,彭金方,沈明學(xué),等.316L不銹鋼構(gòu)件彎曲微動的有限元模擬及其疲勞壽命預(yù)測[J].機械工程材料,2013,37(8)：81-84.

[3] 張星,王鶴峰,袁國政,等.基于納米壓痕試驗的316L不銹鋼表面鈦、TiN薄膜結(jié)合性能的有限元模擬[J].機械工程材料,2013,37(9):90-95.

[4] 周強.低周疲勞下切口類缺陷的疲勞特性研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2013:43-46.

[5] 李江華.DSA效應(yīng)對316L不銹鋼多軸低周疲勞特性的影響[D].沈陽：沈陽化工大學(xué),2016：33.

[6] 吳啟舟，李江華，緱之飛，等.022Cr17Ni12Mo2不銹鋼缺口試樣的疲勞壽命預(yù)測[J].機械工程材料,2015,39(12):55-58

[7] 西田正孝.應(yīng)力集中[M].李安定，譯.北京:機械工業(yè)出版社,1983：57.