裂纹扩展数值仿真与疲劳寿命预测的方法研究

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作者：

石涌超

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摘要：

通常,港口机械设备是间歇性作业的机械设备,具有重复、周期性循环作业的特点。而其金属结构由于加工工艺等原因本身存在着初始缺陷,在承受交变载荷作用下较易产生疲劳裂纹。因此基于断裂力学方法对相关疲劳裂纹扩展机理进行分析,对于港口起重设备安全作业,具有重要意义。传统断裂力学认为裂纹尖端应力场主要由包含应力强度因子的奇异项主导,但进一步研究发现,其常数项对裂纹尖端应力场也存在影响,尤其是包含T应力的非奇异项。本文对常见的二维和三维裂纹进行了数值仿真,基于数值计算结果分析裂纹扩展特点,同时基于实验方法对纯Ⅰ型疲劳裂纹扩展进行分析,最后在考虑T应力的条件下,分析了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的疲劳扩展寿命。主要的研究工作如下:(1)采用相互作用积分法对二维、三维裂纹的应力强度因子和T应力进行了数值计算。同时,基于数值结果对T应力进行数值拟合,得到了相关拟合公式,为之后分析T应力对裂纹扩展的影响和寿命计算奠定基础。(2)基于数值计算的结果分析了T应力对裂纹扩展的影响,分别针对纯Ⅰ型裂纹和Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,分析了T应力对其断裂韧度和扩展角度的影响。(3)采用扩展有限元法对裂纹扩展仿真进行分析,分别对二维边裂纹和复合型裂纹扩展进行模拟。基于Ramberg-Osgood弹塑性模型和双轴拉伸模型,分析了T应力对裂纹扩展的影响。(4)以高强结构钢的三点弯曲梁试样为试验对象,分析纯Ⅰ型裂纹在疲劳载荷下的扩展,得到其扩展寿命曲线和相关Paris公式的参数。基于数值仿真结果对三点弯曲梁的寿命进行计算,对比数值仿真结果与实验结果,验证了数值仿真方法的有效性。(5)在考虑T应力条件下,建立了复合型裂纹扩展的寿命预测数学模型,基于数值计算的结果对该数学模型的有效性进行了验证。同时,建立了基于能量释放率的疲劳寿命计算数学模型,并将仿真结果与传统Paris公式进行对比,验证了其有效性,为疲劳裂纹扩展寿命计算提供理论依据。

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关键词：

T应力；数值仿真；裂纹扩展；疲劳寿命；修正Paris公式

学位级别：

硕士

DOI：

CNKI:CDMD:2.1019.806496