数值分析的焦耳加热行为和残余压应力在裂纹尖端在高电负载

文摘

论述了焦耳热效应和残余压应力在裂纹尖端附近electro-thermo-structural耦合状态下。裂纹尖端场的压缩条件是重要的阻碍或阻止裂纹扩展。

1。介绍

焦耳加热行为和electro-thermo-structural对比周围的裂纹尖端首先研究和讨论了由俄罗斯学者在1980年代(1,2]。他们用数学方法分析有关领域下的电流。先锋研究后,许多典型的研究为解决这一问题在过去几十年(3- - - - - -12]。

基于过去的引用,裂纹尖端附近的焦耳加热现象是众所周知的。图1说明了这个问题的概念。由于焦耳加热效应,热电现象发生在电负载下的导电材料。换句话说,物质变热时受到电流。如果材料有裂缝或裂缝,裂纹尖端附近的电流密度集中发生。那么这个电动浓度会导致当地炎热的地区在裂纹尖端由于焦耳加热。此外,电流密度在裂纹尖端奇异点(6]。这是类似于弹性应力场。

根据电阻加热,在裂纹尖端产生的压应力可以(1,2]。这有关压应力场是重要的减少或阻止潜在的裂纹增长。然而,过去的引用没有显示有关应力的时程。在电动加载、卸载和冷却过程中,有关压力可能出现拉伸或压缩状态。如果塑性应变或变形发生在高温下,裂纹尖端附近的残余应力将断裂问题的一个重要话题。

摘要焦耳加热行为和残余应力在裂纹尖端将使用electro-thermo-structural耦合有限元分析研究。温度和电流密度领域也将获得估计裂纹尖端的行为。特别是,这个主要研究将讨论的残余压应力和其重要性阻止裂纹扩展。

2。问题陈述

图2显示了钢板的几何和加载条件。板的边缘裂纹受恒定的直流电(DC) 。电动加载时间 。板是由低碳钢的维度 。裂纹长度是 。这个问题将被模拟的三维实体模型的有限元分析。

考虑实际情况,与温度有关的材料属性表1(9,13采用有限元分析。此外,弹塑性材料属性,如图3被认为是。根据焦耳热效应,electric-current-induced thermo-structural问题是短暂的。初始温度是21°C。所有固体/空气界面的对流系数设置为10 W / m²——°C。

裂纹表面之间的接触条件被认为是对比的问题。电流和热流通过裂纹时,裂纹表面发生联系。接触条件的详细信息将在下一节中描述。

3所示。原则和有限元建模

3.1。基本原则

本文分析的是electro-thermo-structural对比问题。首先,对于电流场,它遵循下列方程(14]: 在哪里 , , ,和电场(V / m),电流密度(A / m²)、电势(V)和电阻率(Ω-m),分别。

瞬态热分析,规则如下(14,15]: 在哪里 , , , , , ,和热通量(W / m²),导热系数(W / m -°C)、温度(°C),热代(W / m³焦耳加热),质量密度(公斤/米³),比热(J /公斤-°C),分别和时间(s)。

热弹性应力场和热弹性分析夫妻如下(16]: 在哪里 , , , , ,E, , , , ,和压力(N / m Pa =²)、压力(无量纲),体力(N / m³)、位移(m)、加速度(m / s²),杨氏模量(Pa),泊松比(无量纲),压力不变( ),热膨胀系数(1 /°C)温差( 在哪里分别是参考温度)和克罗内克符号。

在这项研究中,被认为是弹塑性应力-应变行为。•冯•米塞斯屈服准则(17,18)是用于分析塑性应力和应变。屈服面被定义为 在哪里 , ,和( 材料的屈服强度),·冯·米塞斯等效应力,分别和主应力。在这项研究中,在图的应力-应变关系3使用。

的有限元方程electro-thermo-structural对比分析如下(18]: 在哪里U,T,V,F,问,我向量形式的位移、温度、电势,力量,热流率,和电流分别。材料常数矩阵 , , , , , , ,和是结构质量、结构阻尼、热比热、thermo-structural阻尼、结构刚度、热导率、thermo-structural刚度、和电导率。热流耦合矩阵包含热负荷的影响和焦耳加热。和thermo-structural耦合条件。方程(5)是直接耦合的非线性方程,解决了采用牛顿迭代法(18]。

3.2。边界和初始条件

指图2边界和初始条件列出如下: 所有结构/空气界面的对流传热。对流条件 W / m²——°C和 °C。

3.3。有限元建模

采用ANSYS软件进行有限元建模和计算。在图4,它显示了钢板的有限元模型与典型的维度:= 240毫米,= 10毫米,= 1毫米, 毫米。网是由20-node固体元素SOLID226 electro-thermo-structural的哪有能力对比分析。由于对称性,只有一半厚度进行了分析。此外,25个基点元素是用来模拟在裂纹尖端奇异点(9- - - - - -12,19]。

3.4。在裂纹表面接触条件

electro-thermo-structural接触条件在裂纹表面被认为是在数值分析。在ANSYS,两个接触元素类型,TARGE170和CONTA174采纳。除了接触应力、电和热接触视为下列方程(18,20.]: 在哪里和分别是,接触表面的电导率和热导率。条款 和 分别是电势差和温度两个接触表面之间的区别。在这项研究中,被认为是非常大的,这样热裂纹表面接触电阻可以忽略。然而,是定义如下20.]: 在哪里和分别是电接触电阻率和特征长度。低碳钢的典型值 1 /(Ωm²),= 6.2586×10⁻⁵Ωm,= 2.54×10⁵米(0.001英寸)(13使用)。此外,在裂纹表面摩擦系数是被忽视的。

4所示。结果和讨论

4.1。验证的有限元模型

有限元模型的准确性必须是有效的。的验证,对比分析简化为纯电动的问题。此外,SOLID226元素退化SOLID231元素的ANSYS模型图4。在这种情况下,电阻率Ω-m。此外,电流分布 /米²是用来取代当前集中 。

使用有限的电势外推技术(LEPET) [9),电流密度的因素在裂纹尖端可以从有限元获得结果。在这种情况下,数值结果是我^3/2。根据类比和分析方法(8,9,21),边缘裂纹问题的解析解下电力负载是 在哪里 的情况下 。替换所有的值(9),是我^3/2。通过比较这两个值 ,有限元结果与解析解具有良好的协议与小的数值误差0.24%。

4.2。电气集中在裂纹尖端和热点

焦耳热效应使钢板的高温度场。由于当地的电气集中在裂纹尖端存在一个热点。在图5,它显示了裂纹周围的电流密度和温度场在下列条件: 毫米, 毫米, 毫米, 毫米, 一个。电动加载时间 年代。数值结果显然证明的现象在裂纹尖端的电子浓度和热点。

4.3。残余压应力在裂纹尖端

在本节中,钢板的几何和加载条件与上面的相同部分。如图6、卸货和冷却过程被添加在分析获得裂纹尖端附近的残余应力。在加载过程= 0 ~ 0.3333 s。然后电流被删除,它仍然是冷却过程年代。

在图7,针对不同的裂纹尖端温度显示。可以看出裂纹尖端温度达到最大值(969°C)的加载时间( 年代)。在卸货过程中,温度衰减迅速,方法稳定状态。在 年代,裂纹尖端温度降低到25°C。

数据8- - - - - -10显示正常应力的时程在裂纹尖端附近的B点。从B到裂纹尖端的距离是0.2毫米。在图8,它显示的是负的在冷却过程中年代。同时,它接近稳态。在 年代的价值−301 MPa。负值意味着压缩正常压力。换句话说,残余压应力在裂纹尖端附近存在电负载后删除。

在数据9和10,详细的应力值在较短的时间间隔。压力会导致复杂的电动装卸过程中波动。然后它衰变和方法稳态提供足够的冷却时间。

图11显示了轮廓的压力在裂纹尖端附近的冷却过程( 年代)。在裂纹尖端有负面压力值。这意味着残余压应力发生在这个区域。根据图的结果11,图12显示了裂纹尖端的应力分布。抗压应力场也调查了在裂纹尖端附近。

4.4。电负载的影响

图13显示压力的时程在B点 一个和 一个。图中两条曲线比较,发现没有下的残余应力 一个。这意味着电负载的大小是一个重要的参数产生残余压应力在裂纹尖端附近。如果电负载是不够的,温度和压力将太小使收益率(塑料)应变和残余应力。

5。结论

从有限元的结果,在裂纹尖端电流密度集中。由于电阻加热,它会导致裂纹尖端的热点。裂纹尖端附近的残余压应力出现由于高温塑性变形。此外,压缩条件可以延缓或阻止裂纹扩展。阻止裂纹扩展的概念图所示14。

本文的主要研究结论下的残余压应力在裂纹尖端附近electro-thermo-structural耦合状态。压缩条件下几乎是重要的断裂力学问题。

重要的是研究疲劳裂纹增长由于焦耳加热造成压力。扩展的工作将被认为是在未来的研究。

命名法

:	电动加载(直流电,直流电)(一)
:	时间(年代)
:	电动加载时间(s)
, , :	板尺寸(米)
:	裂纹长度(米)
:	比热(J / kg -°C)
, :	温度(°C)
:	质量密度(公斤/米3)
:	电场(V / m)
, :	电流密度(A / m2)
, :	电势(V)
:	电阻率(Ω-m)
:	热通量(W / m2)
:	导热系数(W / m -°C)
:	热代焦耳加热(W / m3)
:	压力(Pa)
:	应变(无量纲)
, :	位移(m)
:	杨氏模量(Pa)
:	泊松比(无量纲)
:	热膨胀系数(1 /°C)
:	参考温度(°C)
:	屈服强度(Pa)
:	•冯•米塞斯等效应力(Pa)
:	力(N)
:	热流率(W)
:	电流(A)
:	对流系数(W / m2°C)
:	环境温度(°C)
:	电接触表面电导(m−2Ω−1)
:	接触表面的热导率(W / m2°C)
:	接触表面的接触电阻率(Ω-m)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢科技部在台湾的金融支持合同。大多数104 - 2221 - e - 131 - 030和大多数105 - 2221 - e - 131 - 014。

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