趙雪薇

摘要：工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)裂紋的擴(kuò)展會受到構(gòu)件孔隙的影響，孔隙不僅會使裂紋的擴(kuò)展方向發(fā)生改變，還具有限制裂紋生長的能力。因此，研究孔隙對裂紋擴(kuò)展的影響意義重大?；贏BAQUS有限元分析軟件，運(yùn)用擴(kuò)展有限元法建立含有橢圓形孔隙的平板，通過改變裂紋與橢圓形孔隙之間的距離，分析平板內(nèi)裂紋與孔隙間的距離對裂紋擴(kuò)展的影響。研究結(jié)果表明，裂紋與孔隙之間的距離不同會對裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生不同程度的影響。

Abstract： The propagation of cracks in engineering structural members will be affected by the pores of the members， which will not only change the propagation direction of cracks， but also have the ability to limit the growth of cracks. Therefore， it is of great significance to study the influence of pores on crack propagation. Based on ABAQUS finite element analysis software， the extended finite element method was used to establish a plate with elliptic pores. By changing the distance between cracks and elliptic pores， the influence of the distance between cracks and pores in the plate on crack growth was analyzed. The results show that the distance between the crack and the pore has different influence on the crack propagation.

關(guān)鍵詞：擴(kuò)展有限元法;裂紋擴(kuò)展;橢圓形孔隙;孔隙位置

0? 引言

在工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，常出現(xiàn)孔隙、裂縫等缺陷，影響構(gòu)件的承載能力。通過研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件中孔隙的存在會影響裂紋擴(kuò)展，改變裂紋的擴(kuò)展路徑。合適的孔隙尺寸和孔隙位置還可以限制裂紋在構(gòu)件中的發(fā)展，對工程構(gòu)件較為有利。張芮晨[1]通過擴(kuò)展有限元法對疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)行仿真模擬并與試驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證了擴(kuò)展有限元法網(wǎng)格劃分的簡便性和適用性。劉劍[2]等以ABAQUS為平臺，驗(yàn)證了XFEM的有效性，并發(fā)現(xiàn)孔隙的存在會影響裂紋的擴(kuò)展路徑，這為解決實(shí)際問題提供了方便。劉文濤[3]等利用ANSYS軟件驗(yàn)證了孔洞的尺寸會對裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子產(chǎn)生影響，裂紋會向大孔洞偏移，一定程度上抑制了小孔洞對裂紋的影響。呂斐[4]等通過擴(kuò)展有限元法研究了圓形孔洞的大小和位置對裂紋擴(kuò)展路徑的影響以及雙孔洞裂紋板內(nèi)裂縫的擴(kuò)展情況，發(fā)現(xiàn)孔隙的大小、位置及數(shù)量都會對裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生不同程度的影響。

前人的研究表明裂紋擴(kuò)展路徑會受到構(gòu)件內(nèi)孔隙的影響，合適的孔隙具有限制裂紋發(fā)展的效果，但是這些研究大多基于圓形孔隙的平板模型。本文基于ABAQUS軟件，通過擴(kuò)展有限元法分析裂紋與孔隙間距離不同的平板，研究孔隙位置對裂紋擴(kuò)展的影響。

1? 模型建立

將實(shí)際工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件簡化為帶孔隙的二維平面板，不計(jì)板厚。在ABAQUS軟件中建立有橢圓形孔隙的平面板。平板尺寸30μm×30μm，固定左端，橢圓孔主軸9μm，短軸4μm，初始裂紋長度5μm，在右邊施加2%的應(yīng)變。模型的損傷演化被定義為損傷后基于能量的斷裂失效。紋起始應(yīng)變均設(shè)定為0.4%，材料性能20GPa，應(yīng)變能釋放率0.238N/mm。進(jìn)行擴(kuò)展有限元分析時結(jié)構(gòu)采用四邊形單元形狀。

2? 孔隙與裂紋之間距離改變對裂紋擴(kuò)展的影響

通過研究發(fā)現(xiàn)，孔隙與裂紋之間距離的改變會對裂紋的擴(kuò)展路徑產(chǎn)生影響。對平板施加載荷后，根據(jù)ABAQUS軟件的分析結(jié)果，對荷載作用下的裂紋偏轉(zhuǎn)情況進(jìn)行具體研究，比較孔隙最右端與裂紋之間的水平距離不同時裂紋的擴(kuò)展情況。原始裂紋尖端距橢圓形孔隙最上端的的垂直距離h=8μm，裂紋與橢圓形孔隙最右端的水平距離l分別為 0.5μm、3.5μm、5.5μm。

2.1 水平距離為0.5μm時裂紋的擴(kuò)展

當(dāng)裂紋與橢圓形孔隙最右端的水平距離l=0.5μm時，孔隙邊緣處應(yīng)力從裂紋擴(kuò)展的初始階段就對其擴(kuò)展路徑產(chǎn)生影響，裂紋的擴(kuò)展路徑會在橢圓形孔隙的吸引下偏離原來的直線方向，并向孔隙方向靠近。由于孔隙的存在，裂紋不會貫穿至整個平板，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至橢圓形孔隙上側(cè)后，不會再穿過孔隙繼續(xù)擴(kuò)展，孔隙下側(cè)無裂紋產(chǎn)生，這說明在此模型的條件下，橢圓形孔隙的存在會限制裂紋的擴(kuò)展。另外，在橢圓形孔隙的上邊緣部分無明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，下邊緣部分應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯，如圖1。

2.2 水平距離為3.5μm時裂紋的擴(kuò)展

當(dāng)裂紋與橢圓形孔隙最右端的水平距離l=3.5μm時，在橢圓形孔隙上部離孔隙較遠(yuǎn)處，裂紋擴(kuò)展受孔隙影響小，擴(kuò)展路徑近似直線，離孔隙較近部分，裂紋在孔隙的吸引下仍會偏離直線方向向孔隙靠近，但是由于裂紋與孔隙的水平距離增大，孔隙對裂紋的影響減弱，止裂效果不明顯，裂紋越過橢圓形孔隙后會偏轉(zhuǎn)回原來的直線方向并貫穿整個平板。在橢圓形孔隙的上邊緣部分和下邊緣部分都會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖2。

2.3 水平距離為5.5μm時裂紋的擴(kuò)展

當(dāng)裂紋與橢圓形孔隙最右端的水平距離l=5.5μm時，隨著裂縫與孔隙間的水平距離繼續(xù)增大，裂縫仍會貫穿至整個截面。在離孔隙較遠(yuǎn)的上部和下部裂紋的擴(kuò)展受孔隙影響小，擴(kuò)展路徑近似直線。在離孔隙較近處，裂紋擴(kuò)展路徑偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象仍會發(fā)生，但是較l=3.5μm的模型偏轉(zhuǎn)范圍小，橢圓形孔隙上邊緣部分和下邊緣部分的應(yīng)力集中現(xiàn)象也較l=3.5μm的模型明顯，如圖3。

通過對比發(fā)現(xiàn)，隨著橢圓形孔隙與裂紋間水平距離的增大，孔隙對裂紋擴(kuò)展路徑的影響程度減弱，孔隙的止裂效果隨之降低。另外，對孔隙與裂紋之間水平距離不同的三種情況下應(yīng)力云圖比較發(fā)現(xiàn)，橢圓形孔隙上邊緣的應(yīng)力逐漸增大，下邊緣的應(yīng)力先減小后增大，這是因?yàn)榭紫杜c裂紋間水平距離不同，裂尖應(yīng)力對孔隙邊緣應(yīng)力的干涉效果也不同。

3? 結(jié)論

①橢圓形孔隙的存在會影響裂紋的擴(kuò)展路徑，在孔隙的吸引下，裂紋會向孔隙方向偏移。②橢圓形孔隙對裂紋擴(kuò)展的影響程度會隨孔隙與裂紋之間的距離發(fā)生改變，當(dāng)距離較小時，孔隙對裂紋擴(kuò)展影響程度較大，裂紋會向孔隙方向偏轉(zhuǎn)，擴(kuò)展路徑發(fā)生較大改變。隨距離增大，孔隙對裂紋的吸引現(xiàn)象逐漸減弱，當(dāng)距離增大到一定程度后，孔隙對裂紋擴(kuò)展幾乎無影響。③孔隙與裂紋之間的距離不同，產(chǎn)生的止裂效果也不同，適宜的距離會限制裂紋擴(kuò)展，產(chǎn)生較好的止裂效果，但是隨孔隙與裂紋距離的增大，孔隙的止裂效果也會減弱，直至消失。

參考文獻(xiàn)：

[1]張芮晨.擴(kuò)展有限元法在疲勞裂紋擴(kuò)展模擬中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（18）：11-13.

[2]劉劍，劉曉波，馮發(fā)強(qiáng).基于擴(kuò)展有限元法對含孔洞平板多裂紋擴(kuò)展模擬研究[J].失效分析與預(yù)防，2013，8（06）：326-330.

[3]劉滔文，胡忠舉，彭成章，彭威.孔洞對2519A鋁合金焊接接頭裂紋擴(kuò)展的影響[J].熱加工工藝，2014，43（01）：179-181.

[4]呂斐，繆新婷，周昌玉.孔洞對單邊裂紋板裂紋擴(kuò)展方向的影響[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，39（04）：86-92.