30CrNi4MoA鋼預(yù)腐蝕損傷應(yīng)力強(qiáng)度因子有限元分析

劉濤，穆志韜，牛勇

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東 青島 266041）

30CrNi4MoA鋼預(yù)腐蝕損傷應(yīng)力強(qiáng)度因子有限元分析

劉濤，穆志韜，牛勇

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東 青島 266041）

基于斷裂力學(xué)理論，針對(duì)腐蝕損傷對(duì)金屬結(jié)構(gòu)造成的缺陷，應(yīng)用ABAQUS軟件分析了不同腐蝕年限的平均腐蝕深度對(duì)30CrNi4MoA鋼應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析獲得腐蝕年限與該材料應(yīng)力強(qiáng)度因子之間的關(guān)系。結(jié)果表明應(yīng)力強(qiáng)度因子隨腐蝕損傷的增加而增大。獲得的數(shù)據(jù)為預(yù)測(cè)該材料金屬結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度和剩余壽命提供了有價(jià)值的疲勞裂紋分析參數(shù)。

30CrNi4MoA；腐蝕；應(yīng)力強(qiáng)度因子；ABAQUS

金屬在大氣環(huán)境中會(huì)逐漸產(chǎn)生腐蝕損傷，而腐蝕損傷是金屬結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的缺陷，也是能夠發(fā)展成疲勞裂紋的原因之一。對(duì)腐蝕損傷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的應(yīng)力分析是保證結(jié)構(gòu)安全可靠的關(guān)鍵。從斷裂力學(xué)角度出發(fā)，一切斷裂強(qiáng)度的評(píng)估都離不開(kāi)應(yīng)力強(qiáng)度因子的求解，而采用有限元數(shù)值方法求解是現(xiàn)在普遍采用的途徑。本文基于斷裂力學(xué)理論，利用ABAQUS軟件研究了30CrNi4MoA鋼預(yù)腐蝕損傷對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。

1 有限元模型的建立

1.1 材料和部件

30CrNi4MoA鋼具有高塑性、高韌性和高疲勞強(qiáng)度，經(jīng)常選用作為軸類零件和對(duì)接接頭零件的材料。該材料的彈性模量為204GPa，泊松比為0.3。在ABAQUS軟件中建立含接縫的部件模型，其中30CrNi4MoA鋼在不同腐蝕年限的平均腐蝕深度等效為接縫的長(zhǎng)度，腐蝕坑的底部等效為接縫的前緣。不同年限的平均腐蝕深度如表1所示。

表1 不同腐蝕年限的平均腐蝕深度

1.2 網(wǎng)格劃分

由于接縫前緣附近存在應(yīng)力集中，所以接縫前緣區(qū)域的網(wǎng)格要進(jìn)行細(xì)化。

裝配件采用六面體單元C3D20R，運(yùn)用掃掠技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格檢查和修改，網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到計(jì)算要求。網(wǎng)格模型如圖1所示，接縫前緣網(wǎng)格如圖2所示。

1.3 邊界條件和載荷施加

該材料制成的對(duì)接接頭在工作狀態(tài)下主要承受拉伸載荷，在部件的一端施加平均應(yīng)力為286MPa的拉力。施加載荷時(shí)，約束部件的另一端，即約束節(jié)點(diǎn)的全部自由度。

圖1 網(wǎng)格模型

圖2 接縫前緣網(wǎng)格

2 有限元結(jié)果與分析

ABAQUS在提交作業(yè)求解后的應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 接縫前緣應(yīng)力云圖（腐蝕深度0.45mm）

從接縫前緣的應(yīng)力云圖中可以看出，最大Mises應(yīng)力都出現(xiàn)在接縫前緣，這是因?yàn)榻涌p前緣具有應(yīng)力集中。在dat文件中可以查看應(yīng)力強(qiáng)度因子KI值。由于接縫前緣各個(gè)節(jié)點(diǎn)的受力不同，導(dǎo)致接縫前緣不同節(jié)點(diǎn)具有不同的KI值。從接縫前緣一側(cè)到另一側(cè)共有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此得到4個(gè)KI值如表2所示。

表2 不同平均腐蝕深度的KI值

圖4為KI值隨平均腐蝕深度的變化情況。從圖4中可以看出，應(yīng)力強(qiáng)度因子隨平均腐蝕深度的增加而增大。

圖4 K1值隨平均腐蝕深度的變化曲線

將表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可以得到應(yīng)力強(qiáng)度因子和預(yù)腐蝕年限之間的近似關(guān)系為KK=14.7825- 11.3623e-t7.7213，擬合的曲線如圖5所示。

II從圖中可以看出應(yīng)力強(qiáng)度因子隨腐蝕年限呈指數(shù)遞增的趨勢(shì)，并且逐漸減緩。

當(dāng)已知該材料的斷裂韌度KIC時(shí)，應(yīng)用斷裂準(zhǔn)則，當(dāng)KI大于KIC時(shí)，在腐蝕坑底部會(huì)迅速形成裂紋并且失穩(wěn)擴(kuò)展；當(dāng)KI小于KIC時(shí)，說(shuō)明腐蝕坑底部不會(huì)萌生裂紋，該結(jié)構(gòu)在此工作狀態(tài)下仍然具有剩余強(qiáng)度，還可以安全運(yùn)行。

圖5 應(yīng)力強(qiáng)度因子與腐蝕年限關(guān)系曲線

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)金屬材料腐蝕后的應(yīng)力強(qiáng)度因子分析，有限元方法是一種有效的途徑。本文利用ABAQUS軟件，基于斷裂力學(xué)理論對(duì)30CrNi4MoA鋼預(yù)腐蝕后應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了有限元分析。得到的結(jié)論如下。

（1）腐蝕坑底部形成明顯的應(yīng)力集中區(qū)域。

（2）腐蝕坑底部的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨平均腐蝕深度的增加而增大。

（3）應(yīng)力強(qiáng)度因子與腐蝕年限呈指數(shù)遞增關(guān)系。

本文得到的數(shù)據(jù)結(jié)果為預(yù)測(cè)含有腐蝕損傷的30CrNi4MoA鋼結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度和剩余壽命提供了具有參考價(jià)值的疲勞斷裂分析參數(shù)。

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