铝合金板材疲劳损伤有限元分析
摘要：本文研究了不锈钢材料在冲击载荷下的疲劳寿命，结合有限元软件模拟了试样在冲击载荷下多轴疲劳行为，获取了试样的冲击损伤及演化规律，并对试样的断口进行了宏微观观测。结果表明冲击载荷下试样的疲劳寿命明显减少。
关键词：不锈钢；结构钢；微观机理；多轴冲击疲劳；冲击损伤
0 引言
安全可靠性是凳子的基本要求,为了保障凳子的安全性,凳子用的材料必须具有良好的力学性能。其中，为了防止发生脆性断裂和裂纹的快速扩展,凳子应选用韧性较好的钢材。目前，国内对冲击韧性的预测一般都是通过物理试验的方法得到。但是，这种方法试验成本大、过程繁琐并且由于试样缺口在加工过程中的不规则，对冲击韧性的结果产生比较大的误差。近年来随着有限元方法的发展和计算机仿真技术的应用，大量试验都采用计算机模拟的方法并得到了较理想的结果。此方法既节约了成本,又减少了试样在加工过程中产生的误差。
本文利用J-C模型在ABAQUS中对不锈钢的多轴疲劳冲击行为进行了试验和有限元仿真，获取了试样的冲击损伤及演化规律，并对试样的断口进行了宏微观观测。
1 数值模拟
1.1 Johnson-cook本构模型
1983年，约翰逊和库克在连续损伤力学和粘塑性力学的基础上，综合分析了高应变率、温度和大变形的影响，提出了一个经典的本构模型-Johnson-cook本构模型。流动应力或屈服应力表示为应变硬化、应变速率硬化和热软化的乘积，具体形式如下：
(1)
A:参考应变率和参考温度下的初始屈服应力；B：材料应变硬化模量；C：应变率硬化参数；n：材料应变硬化指数；m：材料热软化指数；
塑性应变率；
无量纲的温度项；T 工作温度，Tr室温 ，Tm 熔化温度。
根据16MND5的准静态单轴拉伸试验和霍普金森压杆(SHPB)试验，确定了各项参数如下(A = 442 MPa，B = 428.2MPa，n = 0.4589，C = 0.044)。
1.2 Johnson-cook失效模型
由Hancock 和 Mackenzie提出的断裂准则已由Johnson和Cook扩展，使断裂应变对应力三轴度、温度、应变率和应变路径敏感。该模型假定，在塑性应变过程中，损伤在材料单元中积累，当达到临界值时，塑性应变立即加速。故障模型标准可以表达如下:
(2)
其中εf表示取决于应变应力三轴度、应变率和温度的当前断裂应变；D1-D 5是材料损伤参数，其中D1-D3是与应力三轴性相关的材料损伤参数，D 4是与应变率相关的材料损伤参数，D5是与温度相关的材料损伤参数。常温下不用考虑根据缺口圆棒拉伸得到应力三轴度和断裂应变之间的关系，最小二乘法拟合得到参数D1，D2，D3，结合试验的载荷位移曲线和材料有限元模拟结果，确定参数D4
最终得到失效模型的各个参数如下表所示
失效参数 | D1 0.15 | D2 0.72 | D3 1.66 | D4 0.005 | D5 0 |
Johnson-Cook 动态失效模型基于单元积分点处的等效塑性应变值；当损坏参数超过 1 时，假定发生失效。损坏参数D，定义为，
其中Δεpl是等效塑性应变增量，εf是材料当前的断裂应变。
1.2 夏比冲击几何模型
按照标准GB/T 229-2007, 《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》和美国标准ASTM A673-82,对试验用ABAQUS软件进行有限元模拟，建立如下3种（全尺寸，半尺寸，宽度为3.3mm）三维可变形体的几何模型试样。有限元模型包括了凳子。具体生活中，凳子主要受到人的质量造成的向下的力。这里将人的重力简化为两个施加于凳面的垂直力，模仿屁股的压力。具体模型如图1所示
图1 有限元模型三视图
将凳子材料定义为铝合金，材料数据如下图
铝合金材料
对凳子底部进行固定。网格划分上，对凳子采用multizone方法，进行六面体的划分，网格分辨率为5。具体网格划分如图2所示。
图2 网格划分图
为了实现对凳子的疲劳分析，将两个分别设置为300N，方向垂直向下。为更加模拟仿真，对凳子添加重力，得到最后的疲劳分析结果。受力图如下。
模型受力图
2 模拟结果与讨论
模拟后得到结果如下图所示，发现人的体重几乎不会对铝合金凳子的寿命造成影响。
于是我将施加于凳子的力改为100000N，此时重力对凳子的影响可以忽略不计，于是我将重力抑制，并分析得到以下结果。
3 结论
（1）日常使用对铝合金凳子几乎不会造成损伤。
