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考虑应变循环损伤的材料疲劳裂纹扩展行为预测方法与应用

陈龙  
【摘要】:过去几十年中,学者们针对工程中出现的疲劳断裂问题展开了大量的基础研究,主要采用试验和数值模拟方法来揭示材料或结构的疲劳裂纹扩展行为。部分学者基于不同假设也提出了不尽相同的疲劳裂纹扩展速率预测模型,但受限于当时的研究条件,已有的多种理论模型的适用性较差,存在诸多人为参数调试的因素。而相关有限元分析软件,一方面所依赖的基础理论不够全面理想,一方面欲得到广泛应用,会要求分析者须具备相关力学基础知识和有限元分析技术。事实上,不同人对同一问题采用即便是相同有限元分析软件进行分析,其结果也往往存在一定差异。随着新型材料及其结构投入工程应用,结构件安全设计迫切需求对裂纹断裂、扩展问题研究的有效成果。因此,建立适用范围更广、更符合实际的疲劳裂纹扩展速率预测模型有重要工程意义和科学价值。本文基于试验结果和文献提供的一系列材料低周疲劳与疲劳裂纹扩展试验数据,研究了低周疲劳损伤与疲劳裂纹扩展之间的相关性,取得了如下成果: 1)基于I型裂纹裂尖循环塑性区平均塑性应变疲劳损伤提出了一种理论解析模型:LCF-FCGM模型,该模型通过考虑低周疲劳损伤,并通过考虑疲劳裂纹扩展门槛值或材料高周疲劳极限应力实现了考虑不同加载比影响的疲劳裂纹扩展性能的综合预测。新模型对疲劳裂纹扩展速率的良好预测能力,得到了7种金属材料的实验数据验证。 2)基于低周疲劳损伤预测疲劳裂纹扩展行为的思想,借助ANSYS软件实现了对中心裂纹板试样疲劳裂纹扩展行为的弹塑性有限元模拟,并根据航空材料手册提供的TA17、TB6和TC11钛合金低周疲劳Manson-Coffin曲线给出了疲劳裂纹扩展速率的有限元预测结果,给出了对应的Paris公式系数。通过LCF-FCGM模型和有限元方法对Cr2Ni2MoV钢和TA12两种材料的疲劳裂纹扩展速率所完成的预测表明,模型与有限元对稳态扩展阶段的预测结果之间一致性良好。 3)结合Newman-Raju思想和本文I型裂纹疲劳裂纹扩展速率预测新模型,建立了平板表面半椭圆裂纹的疲劳裂纹扩展行为预测的理论方程,应用该方程对A17075-T6合金表面裂纹扩展形貌预测结果与相关文献结果符合良好。同时通过对Cr2Ni2MoV钢单边I型裂纹寿命预测和专业疲劳软件MSC.Fatigue分析结果对比表明:在疲劳裂纹扩展稳定阶段,理论公式和有限元方法对含裂纹结构裂纹扩展问题的预测结果符合良好。 商用有限元软件对疲劳裂纹扩展问题的分析受到单元类型、网格密度和数值算法的影响,需要分析者熟练掌握相关有限元分析技术,且现行有限元软件对I型裂纹疲劳裂纹扩展速率的预测能力相对较弱,应用本文提出的新型预测模型可以简捷实现不同加载比下含I型疲劳裂纹的材料构件的安全评估,新模型的预测范围更广,应用更方便。


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