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《兰州理工大学》 2004年
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应力断料中裂纹扩展的数值模拟研究

冒小萍  
【摘要】:在材料强度科学和断裂力学看来,裂纹是灾难,它使许多工程构件突然断裂,造成恶性事故。然而从开发裂纹的功利入手,利用裂纹扩展实现应力下料,出现了裂纹技术的新概念,在与机械加工技术的交叉结合上,开拓了一个新的技术领域。但随着实践的不断深入和断料的多样性,对裂纹技术提出了新的要求。本文是针对轴承行业中几何非对称断料的“后失控”问题(裂纹扩展后期扩展路径超出了预制的环形V型切槽范围)提出的。本文的主要目的在于对应力断料中裂纹扩展过程的数值模拟进行分析研究。 在总结前人工作的基础上结合有限元数值计算方法,本文应用有限元软件对三点弯曲试件(3PBS)启裂前的应力场及位移场进行静态和动态数值分析,观察并比较双边V型切口轴线两侧的力学参数的变化情况。证明在静态情况下,几何对称试件和几何非对称试件的轴线两侧均具有对称的应力和位移分布状态;在动态情况下,几何对称试件双边V型切口轴线两侧具有对称的力学动态响应,而几何非对称试件在轴线两侧出现了不对称的动态应力应变场。这与已有的试验及数值分析结果一致。 本文着重对裂纹扩展的数值模拟方法进行探讨。首先基于ANSYS软件,利用其单元生死模块实现裂纹扩展路径的模拟。先把模型中的所有单元都设为生的单元(激活单元),裂纹扩展所经过的单元被定义为将要杀死[KILL]的单元(非激活单元),根据ANSYS的计算结果决定单元的生死状态。通过把非激活单元选出选择集后留下的痕迹来模拟裂纹扩展的路径。其次基于FRANC2D/L软件进行3PBS试样的准静态裂纹扩展过程的数值模拟,该软件在实现裂纹扩展时将裂纹尖端单元设计为奇异性单元,并在此周围区域局部加密网格,保证了计算精度,并且这个计算网格随着裂纹的扩展而不断前移,以保证奇异性单元和加密网格始终处于裂纹尖端。本文应用FRANC2D/L软件分别研究了准静态情况下试件的几何对称性和支撑对称性对裂纹扩展路径的影响。结果表明:支撑对称前提下,几何对称试件的裂纹扩展路径始终沿着双边V型切口轴线,几何不对称试件的裂纹扩展路径在初期还比较规则,后期则出现右偏现象;几何对称前提下,支撑不对称程度增加,裂纹扩展路径偏离双边V型切口轴线比较明显,支撑不对称程度减小,裂纹扩展路径趋向于双边V型切口轴线。几何和支撑均不对称情况下,右支撑固定不动,调整左支撑可以影响裂纹的扩展路径,并且左支撑调整到某一段位置时裂纹扩展路径沿着双边V型切口轴线,而除此之外的其他位置裂纹扩展路径会出现左偏或右偏的现象。该结论可以在解决后失控问题时作为参考。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TB301

【引证文献】
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【同被引文献】
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