一种基于Python二次开发的超声疲劳缺口试样设计优化方法

本发明属于金属材料超高周疲劳性能分析领域，涉及一种基于python二次开发的超声疲劳缺口试样设计优化方法。

背景技术：

1、随着现代机械装备的高速、长寿命和高可靠性发展要求，许多关键零部件的疲劳寿命早已远远超出千万周次，属于超高周疲劳研究范畴。常规疲劳试验机所能提供的循环载荷频率一般低于200hz，开展超高周疲劳试验分析周期长，成本高。超声谐振技术作为研究金属材料超高周疲劳性能最有效的手段，其通过计算机控制超声发生器、换能器和变幅杆等将高频交流电转换成高频机械振动(固有频率一般为20khz左右)，连接超声疲劳试样发生共振，获得超高周疲劳试验所需位移和载荷水平。超声疲劳试样的形状和尺寸设计对于实现超声疲劳试验系统共振、获得适宜振动位移和应力加载水平等方面极为关键。最常使用的超声疲劳试样包括沙漏型和狗骨型，这些试样由于中部截面面积的减小，从而获得了一定的应力放大系数，并在中间截面产生最大应力应变响应，加速实验进程。目前常用的超声疲劳试样解析设计方法已经在超高周疲劳试验领域得到广泛应用。

2、疲劳缺口试样作为疲劳试验中常用的一种试样类型，它具有特定的缺口或裂纹，用于评估材料或结构在存在缺口或裂纹情况下的疲劳行为。基于缺口试样下的疲劳分析，可以更真实地模拟许多实际工程结构中的应力集中情况，如焊接接头、划痕和孔洞等，提供对实际工程结构的更准确评估。疲劳缺口试样常用于研究裂纹在疲劳载荷下的扩展行为以及材料的疲劳特性。通过监测和分析缺口或裂纹的扩展情况，来获得材料或结构的疲劳寿命、疲劳裂纹扩展速率以及疲劳裂纹扩展路径等关键参数。疲劳缺口试样还可以提供与实际工程应用更接近的试验条件，来实现材料的评估筛选和工程结构的设计验证等。

3、然而，目前针对缺口试件的疲劳研究仍处于传统疲劳范畴，极少涉及超高周疲劳领域，常用的超高周疲劳试样设计方法也未对含缺口试样展开过系统的分析。因此，设计超高周疲劳缺口试样对于理解材料的高频疲劳行为、应力集中情况、研究结构的超高周疲劳性能及其寿命预测具有重要意义。

技术实现思路

1、为了解决现有超声疲劳试样设计方法，以及缺口件疲劳分析多集中于传统疲劳研究范畴，极少涉及到超高周疲劳领域等问题，本发明采用的技术方案是：

2、一种基于python二次开发的超声疲劳缺口试样设计优化方法，包括以下步骤：

3、s1、根据超声疲劳试验原理和给定试验要求，确定所需试样初始形状、材料和尺寸要求，获得含缺口试样尺寸设计初步方案；

4、s2、基于含缺口试样尺寸设计初步方案，采用超声疲劳试样的解析经验公式，给出初始试样的振动位移幅函数和解析谐振长度；

5、s3、基于解析谐振长度，开展含缺口试样的有限元分析前处理工作和模态分析，确定缺口试样固有频率及所属振型，输出模态分析结果；

6、s4、提取模态分析结果中的固有频率及固有振型，与试验设计频率进行对比，确定含缺口试样的尺寸调整措施；

7、s5、含缺口试样的尺寸调整后，重新建模提交模态分析，直至其所需振型下的固有频率满足试验设计频率；

8、s6、开展缺口试样的稳态动力学响应有限元分析，输出试样所需的位移、应力、应变结果分布图，验证微调后的试样确认满足超声疲劳试验的谐振要求，得到超声疲劳缺口试样。

9、进一步地：所述超声疲劳试样按照中部截面类型分为两大类：圆形截面试样和长方形截面试样，圆形截面试样包括等截面圆柱试样、变截面圆柱试样、中部含等截面段的变截面圆柱试样；变截面薄板试样、中部含等截面段的变截面薄板试样；

10、缺口类型包括u型、v型和c型；

11、对于超声疲劳试验圆形截面试样，采用中部环形缺口；

12、对于超声疲劳试验长方形截面试样，采用存在单边开口或双边开口类型。

13、进一步地：所述基于含缺口试样尺寸设计初步方案，采用超声疲劳试样的解析经验公式，给出初始试样的振动位移幅函数和解析谐振长度如下：

14、等截面圆柱试样，为最简单的试验类型，其谐振长度解析公式为：

15、

16、其中，f为试样与超声疲劳试验系统共振的谐振频率，l为试样长度，同时也是等截面圆柱试样的谐振长度，l3为试样解析谐振长度，e为试样材料的弹性模量，ρ为材料密度。

17、变截面圆柱试样，其振动位移幅函数表达式为：

18、

19、

20、其中，a0为试样的端部位移，l2为试样中部变截面段半长，c为纵波波速，ω为角频率；k、α、β无实际含义，i为虚部，c1、c2、c3为方程解析解常数；

21、满足特定谐振频率的试样谐振长度解析公式为：

22、

23、中部含等截面段的变截面圆柱试样，其振动位移幅函数表达式为：

24、

25、其中，l1为试样中部等截面段半长，l2为试样中部变截面段半长；

26、

27、满足特定谐振频率的试样谐振长度解析公式为：

28、

29、变截面薄板试样，其振动位移幅函数表达式为：

30、

31、其中，

32、

33、满足特定谐振频率的试样谐振长度解析公式为：

34、

35、中部含等截面段的变截面薄板试样，如图2(e)所示，其振动位移幅函数表达式为：

36、

37、其中，

38、

39、其中，

40、

41、满足特定谐振频率的试样谐振长度解析公式为：

42、

43、通过matlab对以上试样的解析设计原理过程或者解析经验公式进行编程，给出试样谐振长度l3解析解，完成试样基本形状的初步设计。

44、进一步地：所述基于解析谐振长度，开展含缺口试样的有限元分析前处理工作和模态分析，确定缺口试样固有频率及所属振型，输出模态分析结果采用abaqus/python语言，具体包括以下步骤：

45、a基于获得的缺口试样基本尺寸方案和试样类型进行几何建模，其中，圆形截面试样通过轴对称建模实现分析模型的二维简化，长方形截面试样选择三维建模；

46、b输入材料参数，其中包括材料的弹性模量、泊松比、密度以及结构阻尼；

47、c定义单元类型，根据其模型类型选择面单元或体单元；

48、d进行网格划分，试样结构简单，细化布种数量，直接划分网格；

49、e定义边界条件，超声疲劳试样的一端固定在超声疲劳试验系统的聚能器上，分析结构本身自由振动下的固有属性，即采用自由模态分析；

50、f设置模态分析步step1，选取线性摄动-频率定义模态分析步，采用lanczos求解器求解特征值，选取模态分析阶数，先设定提取20-30阶模态；

51、g提交模态分析任务job1，输出自由模态下试样的各阶固有频率和固有振型数据文件。

52、进一步地：所述提取模态分析结果中的固有频率及固有振型，与试验设计频率进行对比，确定含缺口试样的尺寸调整措施。

53、所述含缺口试样的尺寸调整措施为微调谐振长度l3的值的过程如下：

54、在频率提取时，根据结构动力学分析中，响应一般与低阶模态关系密切，提取低阶模态来表达结构的动力响应；

55、基于模态分析结果.dat文件，分析各阶模态下模型各坐标分量的参与系数，不同阶次下的振型是由同阶参与系数中较大值决定，以此判断主振型的阶次及作用方向；

56、经过验证后提取符合试验要求振型下的模态提取阶数及其响应频率，并与设计频率进行对比，确定含缺口试样的尺寸调整措施；

57、其中，如果该固有频率小于设计频率或设计频率-10hz，减小谐振长度即原谐振长度-0.1mm；如果该固有频率大于设计频率或设计频率+10hz，增加谐振长度即原谐振长度+0.1mm。

58、进一步地：所述含缺口试样的尺寸调整后，重新建模提交模态分析，直至其所需振型下的固有频率满足试验设计频率；包括所述重新建模，其材料参数、单元类型、网格划分、边界条件保持不变。

59、进一步地：所述开展缺口试样的稳态动力学响应有限元分析，输出试样所需的位移、应力、应变结果分布图，验证微调后的试样确认满足超声疲劳试验的谐振要求的过程如下：

60、基于开展模态分析的有限元模型，保持其材料参数、网格属性不变，定义线性摄动下稳态动力学响应-直接法分析步step2，并给定试验所需动力学响应分析频率范围；

61、在step2中根据试验工况定义边界条件和施加载荷；创建作业job2并提交计算；随后提取job2结果文件中，试样在所需设计频率下的谐响应分析结果，包括获得试样振动位移和应力应变分布规律；

62、若试验要求试样在超声振动载荷下只承受纵向拉压载荷，即形变只沿着轴向进行，没有出现其它的弯曲和扭转等混杂的振动叠加，则需要试样在超声振动频率下，端部的振幅最大，应力应变最小，中心截面的振幅最小，应力应变最大，最危险截面为中心最细截面，以此，验证该缺口试样的可靠性。

63、本发明提供的一种基于python二次开发的超声疲劳缺口试样设计优化方法，尤其是含缺口试样的尺寸设计和优化。目的在于提高试样设计精度和效率，丰富超声疲劳试样类型，提高试验准确性，较现有技术相比，本发明具有以下优点：

64、1.本发明基于python语言将有限元前后处理、分析判断和尺寸调整等重复性工作模块程序化，实现循环分析运行过程，直至输出满足试验要求的缺口试样尺寸，避免大量重复性操作，提高设计效率。

65、2.本发明设计超声疲劳缺口试样的尺寸设计和优化，可以有效降低试样随机开口或尺寸随机调整导致最终试验出现偏差或不满足试验要求的概率，实现试样尺寸及其设计过程的同步优化处理。

66、3.本发明适用于发展超声疲劳加载工况下多种类型试样的尺寸优化设计，尤其是非常规试样类型，例如缺口试样。当试验给定条件或者材料发生变化时，只需通过调整程序中相关模块内的参量，提交运行处理，原理简单，便于应用。

67、4.本发明设计的缺口试样仍然满足超声疲劳试验要求，同时在常规超声疲劳试样基础上再开口，有效提高了缺口处的应力集中，实现超声疲劳损伤和破坏主要集中在缺口处，即为试验主要监测区，人为降低了由于试样加工缺陷导致的试验误差，大大提高了试验效率和成功率。

68、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，不分将从下面的描述中变得明显，或用过本发明的实践了解到。