30CrNi4MoA钢预腐蚀损伤应力强度因子有限元分析

刘涛，穆志韬，牛勇

（海军航空工程学院青岛校区，山东 青岛 266041）

30CrNi4MoA钢预腐蚀损伤应力强度因子有限元分析

刘涛，穆志韬，牛勇

（海军航空工程学院青岛校区，山东 青岛 266041）

基于断裂力学理论，针对腐蚀损伤对金属结构造成的缺陷，应用ABAQUS软件分析了不同腐蚀年限的平均腐蚀深度对30CrNi4MoA钢应力强度因子的影响。通过统计分析获得腐蚀年限与该材料应力强度因子之间的关系。结果表明应力强度因子随腐蚀损伤的增加而增大。获得的数据为预测该材料金属结构剩余强度和剩余寿命提供了有价值的疲劳裂纹分析参数。

30CrNi4MoA；腐蚀；应力强度因子；ABAQUS

金属在大气环境中会逐渐产生腐蚀损伤，而腐蚀损伤是金属结构常见的缺陷，也是能够发展成疲劳裂纹的原因之一。对腐蚀损伤的结构进行准确的应力分析是保证结构安全可靠的关键。从断裂力学角度出发，一切断裂强度的评估都离不开应力强度因子的求解，而采用有限元数值方法求解是现在普遍采用的途径。本文基于断裂力学理论，利用ABAQUS软件研究了30CrNi4MoA钢预腐蚀损伤对应力强度因子的影响。

1 有限元模型的建立

1.1 材料和部件

30CrNi4MoA钢具有高塑性、高韧性和高疲劳强度，经常选用作为轴类零件和对接接头零件的材料。该材料的弹性模量为204GPa，泊松比为0.3。在ABAQUS软件中建立含接缝的部件模型，其中30CrNi4MoA钢在不同腐蚀年限的平均腐蚀深度等效为接缝的长度，腐蚀坑的底部等效为接缝的前缘。不同年限的平均腐蚀深度如表1所示。

表1 不同腐蚀年限的平均腐蚀深度

1.2 网格划分

由于接缝前缘附近存在应力集中，所以接缝前缘区域的网格要进行细化。

装配件采用六面体单元C3D20R，运用扫掠技术进行网格划分。经过网格检查和修改，网格质量达到计算要求。网格模型如图1所示，接缝前缘网格如图2所示。

1.3 边界条件和载荷施加

该材料制成的对接接头在工作状态下主要承受拉伸载荷，在部件的一端施加平均应力为286MPa的拉力。施加载荷时，约束部件的另一端，即约束节点的全部自由度。

图1 网格模型

图2 接缝前缘网格

2 有限元结果与分析

ABAQUS在提交作业求解后的应力云图如图3所示。

图3 接缝前缘应力云图（腐蚀深度0.45mm）

从接缝前缘的应力云图中可以看出，最大Mises应力都出现在接缝前缘，这是因为接缝前缘具有应力集中。在dat文件中可以查看应力强度因子KI值。由于接缝前缘各个节点的受力不同，导致接缝前缘不同节点具有不同的KI值。从接缝前缘一侧到另一侧共有4个节点，因此得到4个KI值如表2所示。

表2 不同平均腐蚀深度的KI值

图4为KI值随平均腐蚀深度的变化情况。从图4中可以看出，应力强度因子随平均腐蚀深度的增加而增大。

图4 K1值随平均腐蚀深度的变化曲线

将表2的数据进行回归分析，可以得到应力强度因子和预腐蚀年限之间的近似关系为KK=14.7825- 11.3623e-t7.7213，拟合的曲线如图5所示。

II从图中可以看出应力强度因子随腐蚀年限呈指数递增的趋势，并且逐渐减缓。

当已知该材料的断裂韧度KIC时，应用断裂准则，当KI大于KIC时，在腐蚀坑底部会迅速形成裂纹并且失稳扩展；当KI小于KIC时，说明腐蚀坑底部不会萌生裂纹，该结构在此工作状态下仍然具有剩余强度，还可以安全运行。

图5 应力强度因子与腐蚀年限关系曲线

3 结语

对金属材料腐蚀后的应力强度因子分析，有限元方法是一种有效的途径。本文利用ABAQUS软件，基于断裂力学理论对30CrNi4MoA钢预腐蚀后应力强度因子进行了有限元分析。得到的结论如下。

（1）腐蚀坑底部形成明显的应力集中区域。

（2）腐蚀坑底部的应力强度因子随平均腐蚀深度的增加而增大。

（3）应力强度因子与腐蚀年限呈指数递增关系。

本文得到的数据结果为预测含有腐蚀损伤的30CrNi4MoA钢结构的剩余强度和剩余寿命提供了具有参考价值的疲劳断裂分析参数。

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