表面疲勞裂紋擴展的數(shù)值模擬.pdf

1、浙江理工大學學位論文浙江理工大學學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：我恪守學術(shù)道德，崇尚嚴謹學風。所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已明確注明和引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品及成果的內(nèi)容。論文為本人親自撰寫，我對所寫的內(nèi)容負責，并完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。學位做儲躲彳摻日期：易，2年工月I弓日浙江理工大學學位論文摘要零件在交變載荷的作用下經(jīng)常發(fā)生低應(yīng)力

2、脆斷現(xiàn)象，究其原因為疲勞失效。疲勞失效的過程由裂紋萌生、裂紋擴展和失穩(wěn)斷裂組成。其中，裂紋萌生通常產(chǎn)生于零件表面。表面裂紋在交變載荷的作用下不斷擴展，導致了零件的失效，帶來了較大的損失和安全隱患。所以研究表面疲勞裂紋的擴展具有非常重要的意義及價值。本文以線彈性斷裂力學為基礎(chǔ)，采用有限元方法，自編軟件AxDPFIow模擬了構(gòu)件表面疲勞裂紋的擴展，并預(yù)測其剩余壽命。主要研究內(nèi)容如下：1)闡述了疲勞裂紋擴展數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)，明確了數(shù)值模擬的

3、步驟，探討了其中的關(guān)鍵問題，即應(yīng)力強度因子理論及計算方法。2)將平板作為研究對象，采用HyperMesh進行前處理，將平板劃分為裂紋塊和非裂紋塊網(wǎng)格。其中裂紋塊的網(wǎng)格通過編寫程序建立，并將其映射為ABAQUS單元庫中的標準等參單元；非裂紋塊的網(wǎng)格保持不變，在其上施加載荷及邊界條件。裂紋塊和非裂紋塊之間采用多點約束連接。3)在AxDPFIow軟件平臺上建立了疲勞裂紋擴展數(shù)值模擬的流程。調(diào)用ABAQUS軟件進行有限元分析，采用兩種數(shù)值方法計

4、算了應(yīng)力強度因子，并與Newman和Raju的經(jīng)驗值比較?？疾榱肆鸭y前沿的應(yīng)力強度因子分布，考慮了多點約束及網(wǎng)格正交性對應(yīng)力強度因子計算精度的影響?；赑aris公式計算裂紋前沿各個節(jié)點處的擴展增量，產(chǎn)生的新裂紋前沿采用三次樣條插值函數(shù)描述。4)模擬了平板和圓柱在遠場拉伸、彎曲及拉彎組合載荷下表面疲勞裂紋的擴展過程。考查了不同初始形狀的裂紋在疲勞擴展過程中縱橫比與深度比的變化關(guān)系，分析疲勞裂紋擴展的形狀變化規(guī)律。結(jié)果表明載荷形式對裂紋擴

5、展形狀的影響較大；在相同載荷下，不同初始形狀的表面裂紋具有相同的擴展規(guī)律。5)回顧了預(yù)測結(jié)構(gòu)疲勞壽命的基本方法以及影響因素。基于Paris公式估算了含表面裂紋平板的剩余壽命，并考慮了裂紋擴展增量及應(yīng)力比對疲勞壽命的影響。計算結(jié)果表明，本文采用的裂紋擴展增量可以較精確的預(yù)測結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命；平均應(yīng)力及殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響可以通過應(yīng)力比來反映。采用本文的方法模擬了曲軸表面疲勞裂紋的擴展，估算了曲軸的剩余疲勞壽命，為損傷容限設(shè)計提供依據(jù)。