表面疲勞裂紋擴(kuò)展的數(shù)值模擬.pdf

1、浙江理工大學(xué)學(xué)位論文浙江理工大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：我恪守學(xué)術(shù)道德，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)。所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)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(gè)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(duì)所寫的內(nèi)容負(fù)責(zé)，并完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位做儲(chǔ)躲彳摻日期：易，2年工月I弓日浙江理工大學(xué)學(xué)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?yàn)槠谑?。疲勞失效的過程由裂紋萌生、裂紋擴(kuò)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(kuò)展，導(dǎo)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(kuò)展具有非常重要的意義及價(jià)值。本文以線彈性斷裂力學(xué)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(kuò)展，并預(yù)測(cè)其剩余壽命。主要研究?jī)?nèi)容如下：1)闡述了疲勞裂紋擴(kuò)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(qiáng)度因子理論及計(jì)算方法。2)將平板作為研究對(duì)象，采用HyperMesh進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)約束連接。3)在AxDPFIow軟件平臺(tái)上建立了疲勞裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬的流程。調(diào)用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元分析，采用兩種數(shù)值方法計(jì)

4、算了應(yīng)力強(qiáng)度因子，并與Newman和Raju的經(jīng)驗(yàn)值比較。考查了裂紋前沿的應(yīng)力強(qiáng)度因子分布，考慮了多點(diǎn)約束及網(wǎng)格正交性對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算精度的影響。基于Paris公式計(jì)算裂紋前沿各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的擴(kuò)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(yuǎn)場(chǎng)拉伸、彎曲及拉彎組合載荷下表面疲勞裂紋的擴(kuò)展過程。考查了不同初始形狀的裂紋在疲勞擴(kuò)展過程中縱橫比與深度比的變化關(guān)系，分析疲勞裂紋擴(kuò)展的形狀變化規(guī)律。結(jié)果表明載荷形式對(duì)裂紋擴(kuò)

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(kuò)展規(guī)律。5)回顧了預(yù)測(cè)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(kuò)展增量及應(yīng)力比對(duì)疲勞壽命的影響。計(jì)算結(jié)果表明，本文采用的裂紋擴(kuò)展增量可以較精確的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命；平均應(yīng)力及殘余應(yīng)力對(duì)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(kuò)展，估算了曲軸的剩余疲勞壽命，為損傷容限設(shè)計(jì)提供依據(jù)。