3D裂纹扩展分析技术及其在航空领域的应用

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1、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

2、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

3、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)

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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