D裂纹扩展分析技术及其在航空领域的应用

3D裂纹扩展分析技术及其在航空领域的应用现代CAE技术的发展极大地提高了航空领域复杂结构的设计的效率和技术水平。针对适航性要求和复杂工况下飞机结构安全保障的迫切要求，损伤容限设计和耐久性设计已经需要我们在日常设计中贯彻和实施；对飞机结构进行高可靠度的3D裂纹扩展分析，显著提高飞机结构的数字化虚拟试验能力，拓展全机实验效用,缩短型号研制周期；对在役飞机进行科学的寿命评估，定寿延寿和确定合理的检修周期等已经是我们面临的迫切问题。本文系统地介绍了ZenCrack软件做为目前市面上唯一商用的3D裂纹扩展分析软件在上述研究方向的应用和实践效果。。1航空领域损伤容限设计和耐久性设计现状和挑战航空工业是国家的技术前沿和骨干行业，其产品开发和制造技术水平，不仅是质量和效率的保障，更是国家实力和形象的象征。同时，航空工业作为技术密集、知识密集的高技术产业，集材料、机械、发动机、空气动力、电子、超密集加工、特种工艺等各种前沿技术之大成。当前，数字化技术已经成为全球航空工业产品开发和生产的最有力手段和企业的核心竞争能力。以CAE/CAD/CAM为核心的虚拟化仿真设计制造技术是现代航空数字化产品研制以及航空工业信息化的基石，也是高技术竞争的具体体现。其中，CAE对航空产品的技术贡献尤其关键，国外已有许多成熟的CAE软件可对各种产品进行设计和多种性能的虚拟仿真，如结构力学分析(FEA)、流体力学分析(FEA)、计算流体力学分析(CFD)和计算电磁学分析(CEM)等在航空产品设计中获得了广泛的应用。其中，和损伤容限设计和耐久性设计相关的三维裂纹扩展分析，已经在国际航空发达国家逐步实施，并且已经成为了国际适航性条例要求。然而，国内对飞机结构三维裂纹扩展分析还存在着很大的局限性，主要表现在以下几个方面：1)目前的结构损伤容限分析和寿命预测的CAE技术仍然基于几十年前发展起来的二维断裂理论和经验方法的框架;2)缺陷常发生在几何上处理困难的部位;3)对初始裂纹的尺寸、构型和位置的准确描述;4)裂纹在扩展的动态过程中的非平面扩展;5)数值计算需要裂纹前缘的详细描述。23D裂纹扩展分析软件ZenCrack简介针对上述三维裂纹扩展分析的难点和局限性，ZenTech公司开发的3D高级裂纹扩展行为分析软件ZenCrack提供了良好的解决方案：1)通过内置的Crack-block技术对裂纹区域单独建模以此确保裂纹前沿网格的精度;2)通过Crack-block移动来实现裂纹在3D网格中移动;3)通过边界转移技术来减小网格扭曲以确保Crack-block内部网格质量;4)通过网格松弛技术来减小裂纹区域以外的网格扭曲以确保和Crack-block相连接的外部单元网格质量;5)通过表面映射技术保持Crack-block植入过程中的任意外部曲面形状;6)通过用户自定义初始裂纹前缘来精确描述初始裂纹前缘尺寸，构型和位置等。ZenCrack通过通用的有限元分析软件(如Abaqus,MSC/MARC,Ansys等)分析获得静力学参数，同时利用获得的静力学参数，快速计算任意载荷作用下的3D裂纹的断裂力学参数，包括应力强度因子和能量释放率。同时ZenCrack还可以利用获得的静力学参数，自动计算在任意载荷作用下的3D疲劳裂纹扩展行为或时间相关的裂纹扩展行为，比如裂纹扩展速率&方向、结构剩余寿命和结构寿命延长相关方案校验。3ZenCrack在航空领域的应用为了提高飞机结构安全性和可靠性，航空发达国家在不断更新设计理念，在飞机结构初步设计阶段，就完全贯彻了结构完整性设计思想和耐久性/损伤容限设计思想，综合考虑静强度、耐久性、损伤容限和综合环境对结构的影响。2002年版MIL.HDBK.1530B结构完整性大纲及1998版JSSG.2006飞机结构联合规范，美国适航当局最新版本的适航条例FAR25部以及与之配套的咨询通报25.571.1C都要求将耐久性，损伤容限控制贯穿到飞机结构设计、分析、制造、验证及使用维护的全过程。在解决性能和重量之间矛盾的前提下，保证结构的安全性、可靠性、维修性、低成本和长寿命。迄今为止，国内对飞机金属结构的检修也还是采用人工巡检的方法。但是这种巡检对于巡检部位、巡检周期和巡检方法等都是基于两维裂纹扩展方式下得出的，而有些部位的裂纹采用两维裂纹方法并不能很全面的对裂纹的扩展进行评估。ZenCrack作为目前全球唯一一款可以进行真正的3D裂纹扩展行为的计算机模拟仿真软件，通过断裂力学揭示疲劳裂纹扩展过程并可以相应的估算金属结构的使用寿命、确定飞机金属结构的检修周期和维修方案、进行飞机金属结构工艺研究，给飞机金属结构定寿延寿方法和手段带来革命性的变革。3.1估算飞机金属结构的使用寿命飞机金属结构在使用过程中，不可避免的在金属结构部分位置会产生疲劳裂纹。当疲劳裂纹产生以后，我们所面对的问题就是该疲劳裂纹如何扩展?扩展的速度如何?已往由于没有专门的3D裂纹扩展软件，一般情况下我们对飞机金属结构金属结果均简化为板壳结构，将裂纹都假定为穿透裂纹，通过研究2D裂纹扩展行为来估算裂纹的扩展行为。任何疲劳裂纹的产生都是由从无到有，从小到大的过程，飞机金属结构的疲劳裂纹也不例外。金属结构上的疲劳裂纹并不是一开始就是穿透性的。从微小裂纹扩展到穿透性裂纹需要经历一段相当长的时间。所以研究裂纹由微小裂纹到穿透裂纹这一过程是非常重要的。但这一过程的研究采用2D裂纹扩展行为是很难实现的。ZenCrack作为3D裂纹仿真软件，可以直接的跳过从3D模型简化为2D模型的过程，从而也就剔除了该简化过程中所带来的不可避免的误差。通过ZenCrack估算飞机金属结构在产生疲劳裂纹以后的剩余寿命，可以让管理者很好的安排飞机的工作时间和任务，充分的发挥飞机金属结构的经济效益。3.2确定飞机金属结构的检修周期一旦飞机金属结构产生疲劳裂纹以后，管理者就必须定期的通过各种手段(如振动监测，超声检测，涡流检测，声发射检测等)来监测疲劳裂纹的扩展行为。但是检测周期如何确定?如果检测周期定得过长，很有可能在下次检测之前飞机金属结构已经完全破坏;如果检测周期定得过短，虽然可以确保结构的安全性，但是由于频繁的检测，从时间成本，经济成本和人力成本上面来说都是不可取的。ZenCrack可以根据管理者确定的最大裂纹允许尺寸，依据结构载荷工况，反推出结构在该载荷工况下能够允许的载荷循环次数。然后管理者再依据该载荷循环次数，根据飞机使用计划表，确定下一次飞机检修的具体日期。下图是ZenCrack计算的裂纹尖端扩展尺寸和载荷循环次数结果表。3.3确定飞机金属结构的维修方案下图是飞机金属结构中典型的T型钢结构。图示中蓝色圆圈标注处为结构初始裂纹萌生处。在结构产生裂纹以后，为了确认修补该裂纹的方案，运用ZenCrack软件建立和分析了包含裂纹及补丁的有限元模型，其中黄颜色的补丁尺寸的大小和厚度引入参数分析。经过ZenCrack的分析优化，最终确认了该补丁的有效大小和厚度。图中红色为粘结剂，黄色为补丁。3.4飞机金属结构加工工艺研究喷丸强化是借助于硬丸粒，高速、连续锤击金属表面，使其产生强烈的冷作硬化。通过喷丸可以明显改变金属表面的应力状态、显微硬度、表层的微观形貌和相成分，从而提高金属结构的疲劳强度、抗冲击磨损及抗应力腐蚀性能。喷丸还可改变金属结构的表面粗糙度，并有效地去除电火花加工而产生的表面变质层。喷丸强化方法简单易行，节约能源，适用于落料模、冷作模、冷镦模和热锻模等以疲劳失效形式为主的模具，如锻模服役时，要经受弯曲和热膨胀，常发生因局部屈服而导致显微裂纹，喷丸处理产生压应力能推迟显微裂纹的形成。利用ZenCrack可以很好的模拟在喷丸强化的金属结构的疲劳失效状况：上图是喷丸强化的金属结构示意图。ZenCrack仿真计算结果见下一页图示。表面通过喷丸处理产生压缩残余应力，假设残余应力为1D分布。裂纹为半圆形，初始裂纹半径为0.1mm。裂纹扩展数据以表格形式输入，并考虑了门槛效应。计算4种条件下的裂纹扩展行为，分析残余应力对裂纹扩展行为及剩余寿命的影响：R=0.75，无残余应力(图A);R=0.75，有残余应力(图B);R=0，无残余应力(图C);R=0，有残余应力(图D)。分析结果表明，表面喷丸加工可显著提高含裂纹构件的剩余寿命。4结论综上所述，ZenCrack软件作为目前全球唯一的真正意义上的三维裂纹扩展仿真软件，在航空工业领域典型的应用包括以下主要类型：–对零件内不同的裂纹尺寸进行参数化研究–FAD(R6,API579,BS7910)–确定在给定裂纹尺寸和载荷历史下的剩余寿命–确定给定寿命下的最大裂纹尺寸–确定无损检测周期–确定维修方案–确定一定疲劳载荷下的临界裂纹尺寸–寿命延长–耐久性分析–损伤容限评估–延性和脆性破坏模式之间的交互作用–高温蠕变的Ct积分–焊接结构–橡胶–胶粘、层合板复合材料–DOE–……