基于Franc3D的典型整体结构三维裂纹扩展分析.pdf
《基于Franc3D的典型整体结构三维裂纹扩展分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于Franc3D的典型整体结构三维裂纹扩展分析.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第32 卷第3期2023年9月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol.32 No.3Sept.2023文章编号:10 0 6-0 8 7 1(2 0 2 3)0 3-0 0 15-0 5D0I:10.13340/j.cae.2023.03.003基于 Franc3D 的典型整体结构三维裂纹扩展分析邢本东,高迪,胡宗浩,吴斌,(沈阳飞机设计研究所,沈阳110 0 35)摘要:整体结构取消连接件与紧固件,将分段机械连接结构变为一体化结构,是飞机结构实现轻量化和长寿命的重要技术途径。由于缺乏整体结构裂纹扩展规律研究和损伤容限设计方法,整体结构应用受到较大限制。针对该
2、问题,基于Franc3D软件对典型整体结构件开展裂纹扩展规律研究,分别研究不同应力水平下裂纹扩展特征与低应力水平下典型整体结构裂纹扩展规律。研究结果表明,应力大小对裂纹扩展寿命影响显著,控制应力水平是确保结构寿命安全的重要手段;在低应力水平下,整体结构裂纹扩展可以分为3个阶段,第1阶段为缓慢扩展阶段,占全寿命周期的94.85%,裂纹穿过十字交叉区出现2 次分叉现象。关键词:整体结构;应力;三维裂纹扩展;结构寿命;有限元;裂纹中图分类号:0 346.1;V215.23D crack propagation analysis of typical integral structuresXING B
3、endong,GAO Di,HU Zonghao,WU Bin,WANG Xiangming(Shenyang Aircraft Design and Research Institute,Shenyang 110035,China)Abstract:The integral structure eliminates the connectors and fasteners,and changes the originalsegmented mechanical connection structure into an integrated structure,which is an impo
4、rtant technicalway to achieve lightweight and long life of aircraft structures.Due to the lack of research on crack growthrules and damage tolerance design methods of integral structures,the application of integral structures isgreatly limited.To solve this problem,based on Franc3D software,the crac
5、k growth laws of typicalintegral structures are studied,and the crack growth characteristics under different stress levels and thecrack growth laws of typical integral structures under low stress levels are respectively studied.The resultsshow that the stress level has a significant effect on the cr
6、ack growth life,and controlling the stress levelis an important means to ensure the safety of the structure life;under low stress level,the crack growth ofthe overall structure can be divided into three stages.The first stage is the slow growth stage,accountingfor 94.85%of the total life cycle,the c
7、rack crosses the cross section and bifurcates twice.Key words:integral structure;stress;3D crack propagation;structure life;finite element;crack王向明文献标志码:Bbased on Franc3D收稿日期:2 0 2 2-12-2 3修回日期:2 0 2 3-0 2-16作者简介:邢本东(198 4一),男,辽宁沈阳人,高级工程师,博士,研究方向为飞机结构设计与增材制造,(E-mail)cae ;smucae http:/160 引 言飞机结构通常由数
8、万个零件和数十万个紧固件装配而成。这样的结构零件多、质量大、易开裂1-2 ,导致结构体质量和寿命均不满足新一代飞机的设计指标要求。大型整体结构34 将传统由若干零件通过机械连接装配成的组合式结构,融合为一个无工艺分离面的整体结构,可以有效减少结构穴余、减缓应力集中、减少疲劳薄弱部位,是实现飞机结构轻量化和长寿命的重要技术途径。与传统的组合结构相比,整体结构取消大量的机械连接孔,在损伤容限分析时与传统组合结构有很大的不同,主要表现在以下2 点:(1)裂纹萌生部位不同。由于孔边存在应力集中,传统组合结构往往在孔边处萌生裂纹;而整体结构无机械连接,其裂纹萌生方式必然发生变化。(2)裂纹扩展通路不同。
9、传统组合结构的裂纹在扩展过程中无法从一个零件跨越到另一个零件继续扩展,即裂纹扩展通路是单一零件;而整体结构的构型是连续的,其裂纹扩展路径是不受限的,即整体结构的裂纹扩展通路是无限的。目前,大型整体结构的优势已得到行业内的普遍认可,但应用情况却不理想,原因在于缺乏整体结构的裂纹扩展规律研究,缺少整体结构损伤容限设计方法。本文针对整体结构的构型特征,设计典型的整体结构件,采用Franc3D软件5-7 研究其裂纹扩展过程,阐述整体结构的裂纹扩展模式和特点。1整体结构特征及典型件设计1.11整体结构特征以框梁结构为例,阐明整体结构在横纵构件连接区的构型特征。组合结构连接区的典型特征如图1所示,顶梁和纵
10、向梁按照框的占位打断,分别加工制造后,顶梁通过角盒、角片等连接件与框用紧固件连接在一起,纵向梁通过缘条下限、腹板翻边等方式与框连接在一起。在整体结构中,框缘条与梁缘条融为一体,框腹板与梁腹板融为一体,框腹板筋条直接延伸至梁腹板,同时取消下限、翻边、连接件与紧固件,如图2 所示。1.2典型整体结构件设计整体结构的构型特征是取消连接件、紧固件、下限、翻边,横向构件与纵向构件交叉融为一体,无搭接区与机械连接区,即由原来的分段机械连接结构变为一体化结构。基于此,设计如图3所示的十字http:/计算机辅助工程交叉工字梁构型的典型整体结构件,其尺寸见图4。横向梁与纵向梁相互交叉贯穿区域称为整体结构的“十字
11、交叉区”。图1框梁组合结构连接区特征示意图2 整体结构连接细节示意图3典型整体结构件100A621A图4典型整体结构件尺寸,mm2有限元网格及载荷设置2.1有限元网格为检验有限元网格尺寸对裂纹扩展分析精度的影响,分别设置3种有限元网格。考虑到典型整体结构件缘条、腹板、筋条等结构元素尺寸是3.0 mm,分别采用3.0 和1.5mm进行典型整体结构件网格划分。采用3.0 mm划分网格时,首先进行几何清理,仅保留十字交叉区待插入裂纹的圆角,删除其余的圆角和倒角;其次按照构型特征,将几何分割成可映射的几何体。第1种网格采用3.0 mm一阶8 节点六面体单元,共有6 0 50 3个节点、30 0 40
12、个单元,称作Mesh-1。第2 种网格采用3.0 mm二阶2 0 节点六面体单元,共有2 11332 个节点、30 0 40 个单元,称作Mesh-2。在这种划分方式下,典型整体结构件仅有1层网格,见图5。cae ;smucae 2023年框顶梁角片框纵向梁翻边503A-A第3期邢本东,等:基于Franc3D的典型整体结构三维裂纹扩展分析17切取子模型(预计(的裂纹扩展区)Zxy圆角45插入半径1mm角裂纹图53.0 mm划分网格图8 子模型及初始裂纹采用1.5mm划分网格时,保留全部圆角和倒3.2裂纹扩展参数设置角,并按照构型特征将几何分割为可映射的几何体。采用应力比R=0.1的等幅谱进行循
13、环加载,第3种网格采用1.5mm一阶8 节点六面体单元,共有39 7 0 8 8 个节点、2 7 2 316 个单元,称作Mesh-3。在这种划分方式下,整体结构件有2 层网格,见图6。图6 1.5mm划分网格2.2奉载荷设置为研究不同应力水平下整体结构的裂纹扩展规律,仅施加弯矩载荷,并设置3个数值。第1种弯矩载荷为M,=M,=510 Nmm,代表高应力水平;第2 种弯矩载荷为M,=M,=310Nmm,代表中应力水平;第3种弯矩载荷为M,=M,=110 Nmm,代表低应力水平。在十字交叉区上下缘条中心节点处施加平动位移约束,防止刚体位移。载荷和位移边界条件设置见图7。ZXM上下缘条正中心节点施
14、加平动位移约束,防止刚体位移图7 载荷与位移边界条件3初始裂纹及裂纹扩展参数设置3.1初始裂纹初始裂纹设置在十字交叉区下缘条外表面圆角处,此处应力最大且便于观察裂纹穿过十字交叉区的扩展路径。按照预计的裂纹扩展区尺寸,在有限元模型上切取子模型并插人初始裂纹。初始裂纹为半径1.0 mm的圆形角裂纹,45方向。子模型及初始裂纹见图8。cae ;smucae 十字交叉区下缘条外表面选用最大周向拉应力准则计算裂纹扩展方向,裂纹增长速率采用Paris模型,TA15钛合金的相关参数设置见图9。裂纹扩展增量步为0.2 mm,当裂纹尖端应力强度因子达到Kic时,计算停止。Parismodel parameter
15、s:TemperatureIndependent Params:No Stress Ratio Effectda/dN=CAKC:1.44E-11n:3.13AKth300Kc:2720图9Paris模型参数设置4网格相关性研究为研究裂纹扩展与网格的相关性,在第1种载荷条件下计算3种不同有限元网格模型下裂纹的扩展行为,对比这3种不同网格的裂纹扩展路径、扩展寿命、表面裂纹长度和应力强度因子。3种不同网格下裂纹扩展面和裂纹扩展路径相同,见图10。第1种网格下裂纹扩展寿命为10 6 次M循环,第2 种网格下裂纹扩展寿命为10 9 次循环,第Mx3种网格下裂纹扩展寿命为112 次循环,裂纹扩展寿命最大
16、偏差为5.4%。由于是穿透型裂纹,分别对比内、外表面裂纹,最大偏差为4.8%,见表1。M,裂纹扩展路径图10 第1种载荷下裂纹扩展面和裂纹扩展路径对比分析不同裂纹扩展步的应力强度因子,见表2。由于裂纹前端有Franc3D细化的裂纹网格保证应力强度因子的计算精度,因此应力强度因子受初始网格影响小,偏差不大。最后,对3种网格的计算效率进行对比,统计每http:/裂纹扩展面18个增量步对应的计算时长,具体数值见表3。表13种不同网格下表面裂纹长度裂纹位置网格类型裂纹长度/mm最大偏差/%Mesh-113.25内表面Mesh-2Mesh-3Mesh-1外表面Mesh-2Mesh-3表2 不同裂纹扩展步
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 Franc3D 典型 整体 结构 三维 裂纹 扩展 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。