基于ANSYS的裂纹尖端应力强度因子研究
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制造业信息化Ｅ口叠互墨墨互工盈ｌ＝臣Ｚ墨墨互蜀墨ｆｒｉｌｌ／建簟，ｃＡＤ，ｃＡＭ，ｃＡＥ，ｃＡＰＰｌ＿Ｉ＿＿＿●ｌ＿ｌｌｌｌ＿ｌｌｌｌｌｌＩｌ＿ｌ＿ｌ＿＿＿ｌＩｌ＿—ｌ＿＿＿＿ｌＩ＿＿＿一基于ＡＮＳＹＳ的裂纹尖端应力强度因子研究武小海－，回丽一。
周松１。
娄峰２（１．沈阳航空航天大学机电工程学院，沈阳１１００２７：２．华晨汽车研究院，沈阳１１０１３６）静一罄：摘要：通过ＡＮＳＹＳ建立焊接接头三区域模型。
分别定义了不同的力学性能参数来模拟焊接接头各个区域力学性能的ｊ不均匀性，分别计算裂纹处在焊接接头各个区域的应力强度因子。
计算结果表明：焊缝应力强度因子最低，母材次之，热影ｊ响区最高。
说明材料的屈服强度与裂纹尖端的应力强度因子有密切的关系。
屈服强度越高，应力强度因子越低。
：：关键词：焊接接头：有限元模型：应力强度因子：、中图分类号：ＴＧ４４１．７文献标识码：Ａ文章编号：１００２—２３３３（２０１１）０１—００４２—０２。
：ｊ＆ｋ“ＴｈｅＳｔｕｄｙｉｎＳｔｒｅｓｓＩｎｔｅｎｓｉｔｙＦａｃｔｏｒｏｆＣｒａｃｋＴｉｐＢａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳＷＵＸｉａｏ－ｈａｉ。
ＨＵＩｌｉ，ＺＨＯＵＳｏｎｇ（１．ＳｈｅｎｙａｎｇＡｅｒｏｓｐａｃｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０１３６）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｔｈｒｅｅｒｅｇｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｏｆｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｓｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙＡＮＳＹＳ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｄｅｆｉｎｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｎａｔｕｒｅｏｆｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｓ．Ｔｈｅｃｒａｃｋｓｔｒｅｓｓｉｎｔｅｎｓｉｔｙｆａｃｔｏｒｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｉｎａｌｌｒｅｇｉｏｎｓｏｆｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｓｓｅｐａｒａｔｅｌｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ：ｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍｓｔｒｅｓｓｉｎｔｅｎｓｉｔｙｆａｃｔｏｒｗａｓｉｎｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｚｏｎｅ，ｂａｓｅｍｅｔａｌｆｏｌｌｏｗｅｄ，ｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｗａｓｉｎｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅ．Ａｎｄｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｙｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈｈａｓｃｌｏｓｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｗｉｔｈｃｒａｃｋｔｉｐｓｔｒｅｓｓｉｎｔｅｎｓｉｔｙｆａｃｔｏｒ．Ｔｈｅｈｉｇｈｅｒｙｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｔｈｅｌｏｗｅｒｔｈｅｓｔｒｅｓｓｉｎｔｅｎｓｉｔｙｆａｃｔｏｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ；ｓｔｒｅｓｓｉｎｔｅｎｓｉｔｙｆａｃｔｏｒ１引言焊接结构是典型的非均质材料结构，其微观组织，力学性能都有很大区别，而且在焊接的过程中很容易形成表面裂纹和气孔、夹渣等缺陷。
在疲劳载荷的作用下，焊接结构中的缺陷往往会引发疲劳裂纹。
断裂力学是研究带裂纹材料或结构的强度以及裂纹扩展规律的一门学科。
在结构有裂纹时，常规强度准则就不再使用，断裂力学提出了应力强度因子断裂准则，裂纹尖端应力场强度由应力强度因子度量，因此应用断裂力学来解决工程实际问题时，必须首先确定裂纹尖端的应力强度因子。
－Ｔ－程上应力强度因子计算。
已有经验公式，但是在实际使用中这些公式都有本身的局限性。
国内也有很多通过编程计算的，但是都很复杂。
高季明［２１用边界单元的方示，参数输入如图６所示。
５结论在Ｍａｔｌａｂ环境下可编程建证通用机器人的ｉ维模型，同时也可以开发出相应机器人动力学的仿真平台。
在求机器人逆动力学解时，通过在Ｍａｔｌａｂ中对比，ｍｅｘ文件比ｍ文件运算速度快几百倍，这可以使机器人的控制更为迅速和精确。
便于实时控制。
根据前面的仿真计算结果可以看出，考虑摩擦和不考虑摩擦两种情形下所得到的关节驱动力矩和机器人关节位置解是不一样的，即当考虑摩擦时所需要的关节驱动力矩明显要大于不考虑摩擦时的关节驱动力矩，考虑摩擦时机器人关节位移要小于４２Ｉ机械工程师２０１１年第１期不考虑摩擦时的关节位移，这与实际情况相符，这也说明了考虑摩擦时机器人动力学方程的正确性。
［参考文献］［１］赵小英．梅志千．双臂教学机器人的运动分析及仿真［Ｊ］．河南大学常州分校学报，２００６。
２０（１）：２４—２７．［２］ＣＲＡＩＧＪＪ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｒｏｂｏｔｉｃｓ［Ｍ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：Ａｄｄｉｓｉｏｎ—ＷｅｓｌｅｙＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏｍｐａｎｙ．２００６．［３］ＣＯＲＫＥＰＩ．ＭＡＴＬＡＢｔｏｏｌｂｏｘｅｓ：ｒｏｂｏｔｉｃｓａｎｄｖｉｓｉｏｎｆｏｒｓｔｕｄｅｎｔｓａｎｄｔｅａｃｈｅｒｓ【Ｊｊ．ＩＥＥＥＲｏｂｏｔｉｃｓａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＭａｇａｚｉｎｅ。
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收稿日期：２０ｌｏ－ｌｏ－ｌｌ万方数据制造业信总化■●●———●—■—■——■■■■■■■■■■■■——■●■—■■Ｉ仿一，瑶鼍ＩＣＡＤＩＣＡＭＩＣＡＥ／ＣＡＰＰ盈盈互墨函盏薯盈互誓正回法求焊接裂纹的应力强度因子，并开发了二维边界单元的计算程序。
ＡＮＳＹＳ是丁程应用最广泛的有限元工具。
将ＡＮＳＹＳ应用在焊接接头应力分析对研究工作带来了很大方便。
２有限元计算应力强度因子的理论基础焊接接头缺陷形成的裂纹一般起源于内部的气孔等缺陷。
表面的焊接裂纹在由承受外界交变载荷的作用下也会继续扩展。
Ｉ型裂纹是低应力断裂的主要原因，是最危险的，也是多年来实验和研究的主体，当实际裂纹是复合型裂纹时，往往作为Ｉ型处理。
这样更安全些。
Ｉ型裂纹的开裂形式坐标系，裂纹附近各点位）＋２ｓｉｎ：导］（１））一２ｃｏｓ：孚］（２）式中．ｒ、０为裂纹尖端处的极坐标；址、∥分别为ｘ，ｙ方向的位移分量；Ｇ为材料的剪切弹性模量；蜀为Ｉ型裂纹应力强度因子：Ｋ是与材料泊松比有关的系数，具体关系如下：Ｋ＝享盟（平面应力状态）；Ｋ＝３一钆（平面应变状态）在０＝－０。
的裂纹延长线上，由式（１）得Ⅱ２务、／寺（３）ＡＮＳＹＳ软件中提供了所谓的“位移外推”法来计算应力强度因子，即用有限元法求出延裂纹各节点的位移值，代入式（３）并外推得到ＫＩ＝｜ｉｍ２Ｇｕ、／兰卫（４）３用ＡＮＳＹＳ模拟焊接接头求解应力强度因子焊接接头是典型的非均匀组织，力学性能有很大不同。
在建立模型时将接头分为３个区域：焊缝、热影响区、母材。
在接头边缘预置裂纹长度６ｍｍ，裂纹延伸方向为戈轴方向。
如图３所示．焊缝宽度设为４ｒａｍ；热影响区宽度为０．５ｍｍ；其余部分为母材。
整个试件尺寸为８０ｍｉｎｘ４０ｍｍ。
在材料属性定义时可以定义三种材料属性，分别表１接头各区域强度ＩＭＰａ对应焊接接头的每个区域。
本文通过改变屈服强度搭配组合来模拟焊接接头各区域的不同力学性能，如表１。
其它材料属性设置：Ｅ＝１１８ＧＰａ，／ｚ＝０．３４，Ｇ＝８０ＧＰａ，Ｇ＝４４ＧＰａ。
采用ＰＬＡＮＥ２单元划分网格。
焊缝区域网格划分单元设置为２。
热影响区设置为４，其他区域设置为６。
裂纹区域网格尽量细分。
划分网格后的整体模型如图３。
图４为裂纹附近网格划分。
左边界限制全部自由度，上边界限制延裂纹方向的自由度，除裂纹张开处例外。
在右边界施加均匀分布的拉应力２００ＭＰａ。
４结果与讨论由于焊接接头每个区域的力学性能定义不同，计算出来的应力强度因子值就反映出材料力学性能对应力强度因子的影响规律。
ＡＮＳＹＳ计算结果如表２ｉ表２ＡＮＳＹＳＹ模拟计算裂纹尖端应力强度因子结果分区抗拉强度仃。
／ＭＰａ屈服强度口．／ＭＰａ应力强度因子朋Ｐａ·ｍ４焊缝６８５８００２８４．４２母材６８５６００３００．０２热影响区６８５—３００３２３．３５焊缝应力强度因子最低，母材次之，热影响区最高。
说明材料的屈服强度与裂纹尖端的应力强度因子有密切的关系。
屈服强度越高，应力强度因子越低。
本文所用焊接接头三区域有限元模型可以在后续的工作中改进，通过改变裂纹的长度，位置，形状模拟真实裂纹结构，为非均匀焊接结构研究工作带来方便。
【参考文献】［１］高季明，黄雨华，王晓春．焊接裂纹尖端应力强度因子数值计算［Ｊ］．东北大学学报。
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收稿日期：２０ｌｏ＿ｌＯ—１６机械工程师２０１１年第１期ｌ４３万方数据基于ANSYS的裂纹尖端应力强度因子研究作者：武小海， 回丽， 周松， 娄峰作者单位：武小海,回丽,周松(沈阳航空航天大学,机电工程学院,沈阳,110027)， 娄峰(华晨汽车研究院,沈阳,110136)刊名：机械工程师英文刊名：MECHANICAL ENGINEER年，卷(期)：2011(1)1.陈剑桥材料强度学 20082.沙鹏;贺定勇;田富强焊接接头力学不均体断裂力学参量的数值分析 2000(12)3.李永东;张洪才;谭伟非均匀焊接接头的力学建模与断裂分析[期刊论文]-装甲兵工程学院学报 2008(03)4.范引鹤;阮米庆焊接接头力学不均匀性的研究 1996(05)5.王辉;欧阳辉;刘蔚倩断裂力学中应力强度因子的2种解法[期刊论文]-石河子大学学报（自然科学版） 2004(02)6.高季明;黄雨华;王晓春焊接裂纹尖端应力强度因子数值计算 1996(03)本文链接：/Periodical_jxgcs201101017.aspx。
