结构表面裂纹应力强度因子计算方法研究

【摘要】： 结构构件中的裂纹会降低结构系统的安全性，甚至导致整个系统的失效。因此，对存在裂纹的构件进行强度分析尤为重要。根据线弹性断裂力学得到的应力强度因子是评估裂纹结构强度的一个重要参数，对于研究裂纹扩展和结构剩余强度来说，获得裂纹应力强度因子是分析工作的基本条件之一。应力强度因子可以通过数值计算来得到，但这些数值方法在应用到大型实际结构中时会遇到一些困难，比如结构所承受的外载荷以及其它边界条件有很大的不确定性，建立精确的裂纹结构有限元模型也将花费大量的时间和精力等等。 本文研发一种应用PVDF压电薄膜作为应变传感器，同时实现结构表面裂纹形状大小检测和裂纹应力强度因子检测两种功能的新型工程结构检测方法。 首先，从无限体埋藏裂纹表面法向位移间断的解析解入手，通过有限元数值计算进行边界效应处理，把解析解从无限体埋藏裂纹引申到有限体表面裂纹，推导了结构表面裂纹张开位移和深度之间的关系表达式，并通过三维有限元数值分析对表达式进行了验证。 其次，以无限大弹性体埋藏椭圆裂纹应力强度因子的解析解为理论基础，通过数值分析的方法，建立平板表面裂纹深度和应力强度因子之间的定量关系。 最后，对本文的方法进行了实验验证。将PVDF压电薄膜直接粘贴在表面裂纹上，采用非接触式静电电压表测量薄膜表面因裂纹张开位移产生的感应电压，从而反推出裂纹张开位移量，并进一步根据已建立的关系表达式计算表面裂纹深度及深度方向的应力强度因子。本文制作了一个表面半椭圆片状裂纹模型，通过实验证明了本文提出的检测方法具有可行性并且具有较高的检测精度。