一种含裂纹的超声疲劳缺口试样设计方法

技术领域

本发明涉及金属材料超高周疲劳性能分析技术领域，尤其涉及一种含裂纹的超声疲劳缺口试样设计方法。

背景技术

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20kHz，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。超声疲劳试样对于实现超声疲劳试验系统共振、获得适宜的应力加载水平等都极为关键。

金属材料超高周疲劳应力寿命曲线(疲劳裂纹扩展速率曲线)一般可以分为疲劳裂纹萌生、扩展和断裂3个阶段。其中，裂纹扩展包括前期微裂纹扩展阶段和后期稳定扩展。由于高频、低幅加载特征，材料前期呈现极低的裂纹演变速率，同时裂纹变形特征受微观结构和外载荷影响较大，萌生和扩展都存在较大的分散性和随机性，缺陷演化过程极为复杂。疲劳裂纹萌生特征区和初始微裂纹扩展区消耗的寿命要占总疲劳寿命的95％以上。此时，对于该阶段的研究将大大区别于传统疲劳领域。然而，目前常规超高周疲劳试样类型和试验方法决定了超高周疲劳试验研究仍偏向于疲劳裂纹萌生过程的唯象观察和表征，以及依赖传统断裂力学分析思想为裂纹稳态扩展提供归纳分析的数值基础，而裂纹前期扩展作为超高周疲劳前期材料变形的重要阶段还缺乏针对性的试验探索。

含裂纹或缺口的试样作为疲劳试验常用的试样类型，用于评估材料或结构在具有特定缺口或预制裂纹缺陷下的疲劳行为，可以更真实地模拟许多实际工程材料中由于杂质和制造缺陷导致的应力集中情况、初始裂纹扩展以及结构断裂等情况。同时，基于试样缺口处的应力集中，可以实现预制裂纹优先扩展，大大缩小实际试件的有效测量范围，并节省试验时间。而目前针对含缺口及裂纹缺陷的疲劳试验仍处于传统疲劳范畴，极少涉及超高周疲劳领域。因此，发展一种含裂纹的超声疲劳缺口试样设计方法，对于理解材料的高频疲劳行为和裂纹缺陷演变状态，研究结构的超高周疲劳性能和寿命预测具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明基于工程实际和试验目标，结合模块化编程思想，提出了一种含裂纹的超声疲劳缺口试样设计方法，为含预制裂纹的超高周疲劳分析提供试验基础。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所提出的一种含裂纹的超声疲劳缺口试样设计方法，包括以下步骤：

S1、根据试验要求和常用超声疲劳试样解析设计方法，确定常规试样类型、材料、所需缺口及裂纹特征；

S2、基于ABAQUS/Python编写脚本，开展含缺口试样的有限元分析前处理和模态分析，确定其在试验所需振型下的固有频率；

S3、明确试样尺寸调整措施，并反馈到脚本程序，重新提交建模和模态分析，直至其所需振型下的固有频率满足试验设计频率要求；

S4、根据缺口试样尺寸和步骤S2的脚本编程，开展含缺口试样的有限元分析前处理工作，导出试样的有限元模型.inp文件；

S5、基于FRANC3D软件的PyF3D模块和Python语言实现裂纹的生成、插入和含裂纹的缺口试样模型搭建，导出有限元模型full.inp文件；

S6、通过ABAQUS脚本编程读取含裂纹的缺口试样模型，并开展模态分析，确定其在试验所需振型下的固有频率以及试样尺寸调整措施；

S7、基于试样尺寸调整程序，反馈到ABAQUS脚本，重新提交建模、导入裂纹并开展模态分析，直至其所需振型下的固有频率满足要求的试验设计频率；

S8、开展稳态动力学响应有限元分析，输出试样位移、应力、应变的结果分布，验证该试样仍满足超声疲劳试验的谐振要求，最终完成含裂纹的超声疲劳缺口试样设计。

进一步的，所述步骤S2中，脚本程序具体包括：

S2.1、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；

S2.2、输入材料参数，包括材料的弹性模量、泊松比、密度以及结构阻尼；

S2.3、定义单元类型，根据其模型类型选择面单元或体单元；

S2.4、进行网格划分，试样结构简单，细化布种数量，直接划分网格；

S2.5、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；

S2.6、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；

S2.7、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.dat文件。

进一步的，所述步骤S3中，含缺口试样的尺寸调整措施为微调谐振长度的过程，具体包括：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，因此提取低阶模态来表达结构的动力响应；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；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，在实际可加工尺寸范围内，要求其频率误差越小越好；若该固有频率小于设计频率，减小试样谐振长度，若该固有频率大于设计频率，增加试样谐振长度；含缺口试样的尺寸调整后，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，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。

进一步的，所述步骤S5具体包括：

S5.1、试样有限元模型.inp文件的读取；

S5.2、试样区域划分；将有限元模型划分为用于插入裂纹的局部区域，生成local模型，和无裂纹插入的其余整体部分，生成global模型；

S5.3、生成满足试验要求的裂纹缺陷；

S5.4、基于local模型和坐标调整，在对应位置插入裂纹缺陷，形成含裂纹的试样有限元模型；另外，试样局部区域由于裂纹的插入重新划分了网格，其余整体部分仍为原试样模型网格，最终导出模型的full.inp文件。

进一步的，所述步骤S6具体包括：读取含裂纹试样有限元模型full.inp文件，此时模型的材料、网格都已通过上述步骤进行确定；基于步骤S2下的模态分析脚本开展分析并提取符合试验要求振型下的模态提取阶数及其响应频率，并与要求的设计频率进行对比，在实际可加工尺寸范围内，其频率误差越小越好；制定含裂纹的缺口试样尺寸调整措施，其中，如果该固有频率小于试验设计频率，减小谐振长度；如果该固有频率大于试样设计频率，增加谐振长度。

进一步的，所述步骤S7具体包括：

S7.1、将微调后的谐振长度输入步骤S2下的ABAQUS脚本程序重新建模，其材料参数、单元类型、网格划分、边界条件保持不变，自动导出谐振长度微调后无裂纹试样有限元模型的.inp文件；

S7.2、基于FRANC3D脚本导入裂纹；通过修改FRANC3D软件脚本文件中对应的.inp文件名称，运行.py脚本程序，即可实现裂纹的自动插入；

S7.3、含裂纹试样模型的网格重新划分，导出该试样有限元模型full.inp文件；

S7.4、运行ABAQUS脚本文件，自动提交模态分析，并提取模态分析结果中的固有频率及固有振型，直至其所需振型下的固有频率满足试验设计频率要求。

进一步的，所述步骤S8具体包括：基于步骤S7中最终开展模态分析的试样模型，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；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、应力、应变的分布规律；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，试验则需要满足在超声振动频率下，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；此时，表明该试样仍满足超声疲劳试验谐振要求，含裂纹的超声疲劳缺口试样设计完成。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明方法适用于多种含裂纹超声疲劳缺口试样的设计，丰富了超声疲劳试样类型和超高周疲劳试验方法。对于超高周循环加载工况下裂纹作用状态分析、初始裂纹扩展试验研究、超高周疲劳缺陷演变过程探索等都具有实际意义。

2、本发明基于Python语言充分发挥各分析软件优势性能，分别实现了有限元前后处理、含裂纹试样模型搭建、尺寸调整等重复性过程的模块化编程，极大提高了含裂纹超声疲劳缺口试样的设计效率和精度，有助于提高试验的准确性。

3、本发明基于FRANC3D软件脚本编程构建疲劳裂纹试样模型，可以实现多种类型及特征的裂纹插入、复杂裂纹模型的网格重新划分以及含裂纹有限元模型的重构，极大简化了常规有限元方法下的裂纹定义和分析步骤，为超声疲劳试验预制裂纹扩展分析提供模型基础。

4、本发明通过在缺口根部预制裂纹，基于试样缺口处的应力集中，以实现预制裂纹优先扩展，大大缩小实际试件的有效测量范围，并降低试样由于其他缺陷或外部因素造成的提前断裂，可以有效节省试验时间，并提高试验成功率。

附图说明

图1为本发明实施例所提出的一种含裂纹的超声疲劳缺口试样设计方法的流程图；

图2为本发明实施例涉及的超声疲劳试样的结构示意图；

图3为本发明实施例满足设计频率的模态分析结果示意图；

图4为本发明实施例轴向振动位移、应变和应力分布示意图；

图5本发明实施例试样在裂纹深度方向上的Mises应力分布示意图；

图6本发明实施例试样裂纹前缘Mises应力分布示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

本发明所提出的一种含裂纹的超声疲劳缺口试样设计方法，如图1-6所示，具体实施过程如下：

S1、根据试验要求和常用超声疲劳试样解析设计方法，确定常规试样类型、材料、所需缺口及裂纹特征。其中，常规试样指目前最常用的超声疲劳试样类型，主要分为圆柱状试样和板状试样，按试样截面形状还可以分为沙漏形和狗骨形试样。常见的缺口类型则包括U型、V型和C型，裂纹类型包括表面裂纹、内埋裂纹、角裂纹、穿透裂纹等。先基于超声疲劳试验设计频率给出常规试样解析谐振长度，再根据缺口位置和特征，确定含缺口试样的初始尺寸。

S2、基于ABAQUS/Python编写脚本，开展含缺口试样的有限元分析前处理和模态分析，确定其在试验所需振型下的固有频率；脚本程序具体包括：

S2.1、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；

S2.2、输入材料参数，包括材料的弹性模量、泊松比、密度以及结构阻尼；

S2.3、定义单元类型，根据其模型类型选择面单元或体单元；

S2.4、进行网格划分，试样结构简单，细化布种数量，直接划分网格；

S2.5、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；

S2.6、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；

S2.7、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.dat文件。

S3、明确试样尺寸调整措施，并反馈到脚本程序，重新提交建模和模态分析，直至其所需振型下的固有频率满足试验设计频率要求；

含缺口试样的尺寸调整措施为微调谐振长度的过程，具体包括：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，因此提取低阶模态来表达结构的动力响应；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；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，在实际可加工尺寸范围内，要求其频率误差越小越好；若该固有频率小于设计频率，减小试样谐振长度，若该固有频率大于设计频率，增加试样谐振长度；

含缺口试样的尺寸调整后，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，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。

S4、根据缺口试样尺寸和步骤S2的脚本编程，开展含缺口试样的有限元分析前处理工作，导出试样的有限元模型.inp文件；

其中，使用FRANC3D软件插入裂纹时，裂纹能否成功插入与导入有限元模型的网格划分情况存在一定关联。因此，需要适当细化试样有限元模型网格密度，或在试样预制裂纹区域附近进行局部细化网格。除此之外，缺口试样有限元分析前处理脚本中，建模、定义材料、赋予单元类型和边界条件都保持不变，通过建立分析任务Job1，输出该任务的.inp文件，为后续裂纹插入提供有限元模型基础。

S5、基于FRANC3D软件的PyF3D模块和Python语言实现裂纹的生成、插入和含裂纹的缺口试样模型搭建，导出有限元模型full.inp文件；其脚本程序主要包括以下步骤：

S5.1、试样有限元模型.inp文件的读取；

S5.2、试样区域划分。对于引入的裂纹特征来说，试样整体的有限元模型相对较大，插入裂纹时会导致整个试样模型网格的重新划分，计算量大，模型较复杂时还会引起裂纹插入失败。一般将有限元模型划分为用于插入裂纹的局部区域(生成LOCAL模型)和无裂纹插入的其余整体部分(生成GLOBAL模型)；

S5.3、生成满足试验要求的裂纹缺陷。其中利用FRANC3D软件可以获得多种类型和尺寸特征的疲劳裂纹，例如表面裂纹、深埋裂纹、角裂纹、穿透裂纹等；

S5.4、基于LOCAL模型和坐标调整，在对应位置插入裂纹缺陷，形成含裂纹的试样有限元模型。其中插入裂纹成功与否取决于裂纹前缘网格是否具有奇异性。另外，试样局部区域由于裂纹的插入重新划分了网格，其余整体部分仍为原试样模型网格，最终导出模型的full.inp文件。

S6、通过ABAQUS脚本编程读取含裂纹的缺口试样模型，并开展模态分析，确定其在试验所需振型下的固有频率以及试样尺寸调整措施；

其中，由于实际加工过程中是基于缺口试样加工预制裂纹，裂纹的存在又会大大降低试样刚度，从而降低材料固有频率。为减少实际试验过程受到预制裂纹的影响，使试样可以在试验装置中正常受载，设计裂纹试样时的受载频率可以稍高于实际试验装置加载频率。

该部分的主要步骤包括：读取含裂纹试样有限元模型full.inp文件，此时模型的材料，网格等都已通过上述步骤进行确定；基于步骤S2下的模态分析脚本开展分析并提取符合试验要求振型下的模态提取阶数及其响应频率，并与要求的设计频率进行对比，在实际可加工尺寸范围内，其频率误差越小越好；制定含裂纹的缺口试样尺寸调整措施，其中，如果该固有频率小于试验设计频率，减小谐振长度；如果该固有频率大于试样设计频率，增加谐振长度。

S7、基于试样尺寸调整程序，反馈到ABAQUS脚本，重新提交建模、导入裂纹并开展模态分析，直至其所需振型下的固有频率满足要求的试验设计频率；其主要步骤如下：

S7.1、将微调后的谐振长度输入S2步骤下的ABAQUS脚本程序重新建模，其材料参数、单元类型、网格划分、边界条件等保持不变，自动导出谐振长度微调后无裂纹试样有限元模型的.inp文件；

S7.2、基于FRANC3D脚本导入裂纹。由于试样一般为对称结构，尺寸调整限于试样两端谐振长度的微调，不会影响试验设计的裂纹位置、形状特征以及试样的有效测量区域，因此仅需通过修改FRANC3D软件脚本文件中对应的.inp文件名称，运行.py脚本程序，即可实现裂纹的自动插入；

S7.3、含裂纹试样模型的网格重新划分，导出该试样有限元模型full.inp文件；

S7.4、运行ABAQUS脚本文件，自动提交模态分析，并提取模态分析结果中的固有频率及固有振型，直至其所需振型下的固有频率满足试验设计频率要求。

S8、开展稳态动力学响应有限元分析，输出试样位移、应力、应变的结果分布，验证该试样仍满足超声疲劳试验的谐振要求，最终完成含裂纹的超声疲劳缺口试样设计；

其中，基于步骤S7中最终开展模态分析的试样模型，保持其材料参数、网格属性等不变，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；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、应力、应变等分布规律。

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，试验则需要满足在超声振动频率下，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。此时，表明该试样仍满足超声疲劳试验谐振要求，含裂纹的超声疲劳缺口试样设计完成。

下面通过具体的实施例，对本发明的方案和效果做进一步说明：

以铝合金AL6061为材料设计中部截面单边V型缺口处含穿透直裂纹的狗骨型薄板超声疲劳试样为例，试样基本形状和尺寸示意如图2所示。设计方法具体包括以下步骤：

步骤S1、根据试验要求和常用超声疲劳试样解析设计方法，确定常规试样类型、材料、所需缺口及裂纹特征。对于本实施例，选取狗骨型薄板超声疲劳试样作为初始形状，其单边中部截面含张开角度θ＝60°，0.5mm深的V型缺口，试验设计频率取20000Hz，要求该频率下试样处于轴向振动状态，沿缺口根部向试样深处预制0.5mm深的单边穿透直裂纹。给定铝合金AL6061材料弹性模量为69000MPa，泊松比为0.33，密度为2.7E-9t/mm3，结构阻尼系数取0.0001。超声疲劳试验装置加载频率为20kHz。其中，由于实际加工过程中是基于缺口试样加工预制裂纹，裂纹的存在又会大大降低试样刚度，从而降低材料固有频率。为减少实际试验过程受到预制裂纹的影响，使试样可以在试验装置中正常受载，设计裂纹试样时的受载频率可以稍高于实际试验装置加载频率。本例取预制裂纹试样时的设计频率为20200Hz，要求该频率下试样处于轴向振动状态。取非谐振段宽度b

步骤S2、基于ABAQUS/Python编写脚本，开展含缺口试样的有限元分析前处理和模态分析，确定其在试验所需振型下的固有频率；其脚本程序包括以下步骤：

S2.1、基于常规试样基本尺寸方案和缺口特征进行几何建模；

S2.2、输入材料参数，其中包括材料的弹性模量69000MPa、泊松比0.33、密度2.7E-9t/mm

S2.3、定义单元类型，根据其模型类型选择体单元；

S2.4、进行网格划分，试样结构简单，可将布种密度加倍，采用六面体扫掠技术直接划分网格，单元类型为C3D8R；；

S2.5、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；

S2.6、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；

S2.7、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.dat文件。

步骤S3、明确试样尺寸调整措施，并反馈到脚本程序，重新提交建模和模态分析，直至其所需振型下的固有频率满足试验设计频率要求。

其中，所述含缺口试样的尺寸调整措施为微调谐振长度L

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。其所述前处理和模态分析过程中材料参数、单元类型、网格划分、边界条件保持不变。

步骤S4、根据缺口试样尺寸和S2的脚本编程，开展含缺口试样的有限元分析前处理工作，导出试样的有限元模型.inp文件。

其中，使用FRANC3D软件插入裂纹时，裂纹能否成功插入与导入有限元模型的网格划分情况存在一定关联。需要适当细化试样有限元模型网格密度，或在试样预制裂纹区域附近进行局部细化网格。在本实施例中，沿缺口根部截面上下各2mm划分模型，中间4mm长试样段加密网格种子布局，进行局部细化，其余试样保留原网格。

除此之外，缺口试样有限元分析前处理脚本中，建模、定义材料、赋予单元类型和边界条件仍保持不变，通过建立分析任务Job1_V，输出该任务Job1_V.inp文件，为后续裂纹插入提供有限元模型基础。

步骤S5、基于FRANC3D软件的PyF3D模块和Python语言实现裂纹的生成、插入和含裂纹的缺口试样模型搭建，导出有限元模型full.inp文件。其主要步骤如下：

S5.1、读取试样有限元模型Job1_V.inp文件。

S5.2、划分试样区域。对于引入的裂纹特征来说，试样整体的有限元模型相对较大，插入裂纹时会导致整个试样模型网格的重新划分，计算量大，模型较复杂时还会引起裂纹插入失败。一般将有限元模型划分为用于插入裂纹的局部区域(生成LOCAL模型)和无裂纹插入的其余整体部分(生成GLOBAL模型)。本实施例中，通过调整坐标和数值，与细化网格的模型区域相对应，沿缺口根部截面上下各2mm划分模型，保留中间4mm长试样段作为LOCAL模型，其余部分则自动保存为GLOBAL.inp模型文件。

S5.3、生成满足试验要求的裂纹缺陷。其中利用FRANC3D软件可以获得多种类型和尺寸特征的疲劳裂纹，例如表面裂纹、深埋裂纹、角裂纹、穿透裂纹等。本实施例中，基于FRANC3D软件，选择Cracks选项进入Flaw Insertion界面，选择Flaw Type(Crack)，Flaw ToFile(Save to file and add flaw)，点击next进入裂纹形状选择界面，选择具有两端为半圆，中部以直线连接而成的裂纹，输入所需半圆的半径以及该裂纹总长，此时半径长度可等于所需裂纹深度，其直线边作为裂纹前缘将插入试样缺口根部，其长度大于试样宽度即可。最终通过LOCAL模型和坐标调整裂纹在试样中的位置，生成并保存深度为0.5mm的穿透直裂纹05cr.crk文件。

S5.4、在对应位置插入裂纹缺陷，形成含裂纹的试样有限元模型。其中插入裂纹成功与否取决于裂纹前缘网格是否具有奇异性。另外，试样局部区域由于裂纹的插入重新划分了网格，其余整体部分仍为原试样模型网格，最终导出模型的Job1_VC_full.inp文件。

步骤S6、通过ABAQUS脚本编程读取含裂纹的缺口试样模型full.inp文件，并开展模态分析，确定其在试验所需振型下的固有频率以及试样尺寸调整措施。如步骤S1所述，本实施例取所分析的加载频率为20200Hz。

该部分的主要步骤包括：读取含裂纹试样有限元模型Job1_VC_full.inp文件，此时模型的材料，网格等都已通过上述步骤确定；基于步骤S2下的模态分析脚本开展分析并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20200kHz进行对比，在实际可加工尺寸范围内，其频率误差越小越好；制定含裂纹的缺口试样尺寸调整措施，其中，如果该固有频率小于试验设计频率，减小谐振长度L

步骤S7、基于试样尺寸调整程序，反馈到ABAQUS脚本，重新提交建模、导入裂纹并开展模态分析，直至其所需振型下的固有频率满足要求的试验设计频率。其主要步骤如下：

S7.1、将微调后的谐振长度输入S2步骤下的ABAQUS脚本程序重新建模，其材料参数、单元类型、网格划分、边界条件等保持不变，自动导出谐振长度微调后无裂纹试样有限元模型的Job1_VC.inp文件；

S7.2、基于FRANC3D脚本导入裂纹。由于试样一般为对称结构，尺寸调整限于试样两端谐振长度的微调，不会影响试验设计的裂纹位置、形状特征以及试样的有效测量区域，因此仅需通过修改FRANC3D软件脚本文件中对应的Job1_VC.inp文件名称，运行Job1_VC.py脚本程序，即可实现裂纹的自动插入。

S7.3、含裂纹试样模型的网格重新划分，导出该试样有限元模型Job1_VC_full.inp文件。

S7.4、运行ABAQUS脚本文件，自动提交模态分析，并提取模态分析结果中的固有频率及固有振型，直至其所需振型下的固有频率满足试验设计频率要求。

本实施例模态分析输出结果如图3所示，试样第17阶模态为超声疲劳试验设计所需轴向振动状态的最低阶模态，该固有频率为20201Hz，满足超声疲劳试验要求频率范围，即此时试样将会产生共振，导致共振疲劳发生。

步骤S8、开展稳态动力学响应有限元分析，输出试样位移、应力、应变等结果分布，验证该试样仍满足超声疲劳试验的谐振要求，完成含裂纹的超声疲劳缺口试样设计。具体包括：基于步骤七最终确定的含裂纹缺口试样有限元模型，保持其材料参数、网格属性等不变；定义线性摄动下稳态动力学响应-直接法分析步Step2，给定试验所需动力学响应分析频率范围，本实施例中取20190Hz-20210Hz；根据试验工况定义Step2的边界条件和载荷施加模式。其中，约束试样底面即X、Z方向上的位移，以及Y方向上的旋转，在试样顶面施加1MPa的正弦载荷；创建作业Job2_VC并提交计算；提取Job2_VC结果文件中，试样在所需设计频率20200Hz下的动力学响应分析结果，输出包括试样的轴向振动位移、轴向应力应变和Mises应力分布图等，如图4所示，裂纹处深度方向及裂纹前缘的Mises应力分布如图5和图6所示。

本实施例要求试样在超声振动载荷下只发生轴向振动，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。结合有限元分析数据获得试样轴向位移、应力应变数值分布规律如图4所示。结合图4和图5可以发现，该试样在超声振动频率下端部的振幅最大，应力应变最小，中心截面振幅最小，应力应变最大，最危险截面为中心附近缺口根部的裂纹前缘处，即该含裂纹的缺口试样仍满足超声疲劳试验谐振条件，其位移传递和应力应变规律也满足分布要求。其中，图4给出了试样中间截面，即V形缺口处轴向应变分布图，基于试样缺口附近的应力集中和预制裂纹，实际试件的有效测量范围大大缩小，可以进一步加速超声疲劳实验进程。与此同时，作为单边穿透直裂纹，图6给出了直裂纹前缘的Mises应力分布，其裂纹前缘中心受力最大，向两边逐渐降低，试样表面和近表面处出现最小值，其为超高周疲劳预制裂纹的断裂参数分析和求解提供思路。此时，本实施例下的单边V型缺口根部含穿透直裂纹的狗骨型薄板状超声疲劳试样设计完成，试样尺寸如表1所示。

表1实施例材料参数试样尺寸

本发明未详尽事宜皆为公知技术。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。