金属材料三维断裂韧度厚度效应的有限元模拟
The Elucidation of Thickness Effect of Three-dimensional Fracture Toughness by Using the Finite Element Method

摘要 随着金属材料大壁厚结构件在工程中的广泛应用，对其断裂韧度的厚度效应研究具有重要的科学意义和工程价值。本研究基于有限元和实验相结合的方法，对金属材料断裂韧度的厚度效应进行预测。首先，通过一组薄壁厚金属材料标准三点弯曲试验得到试样失效时的临界载荷值，并利用内聚力模型与基于虚拟裂纹闭合技术的裂纹扩展模拟方法得到裂纹扩展时的单元临界能量释放率。随后，以此临界能量释放率作为裂纹扩展的启裂准则门槛值，通过有限元计算得到不同试样厚度下裂纹启裂时的裂尖断裂参数随着厚度的变化规律。最后，为了验证有限元模拟结果的准确性，本研究进行了另外两组不同厚度下三点弯曲试样的断裂韧度试验，并将试验结果与有限元结果进行了对比，验证了有限元所模拟的断裂韧度厚度效应的准确性。本研究旨在，通过薄壁厚三点弯曲试样的实验结果结合有限元模拟工作，即可实现金属材料断裂韧度的整个厚度效应曲线，为任意厚度下金属材料断裂韧度预测提供一种可靠的研究方法，有益于缩减试验成本，为大壁厚工程结构件的失效预测提供依据