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聚合物诱导裂纹闭合抗疲劳效应的有限元模拟

马晓荣  
【摘要】: 聚合物诱导裂纹闭合抗疲劳效应止裂技术是在裂纹中人工注入聚合物,待其固化后形成楔块,诱发裂纹闭合效应,从而降低应力强度因子幅来实现裂纹的疲劳止裂的方法。大连理工大学化机系在国家自然科学基金、中石化科技创新基金等支持下对这种止裂方法进行了系统性研究,取得了一系列重要研究成果。国际上单秋成等课题组也对此方法进行了深入研究。试验研究表明:聚合物诱导裂纹闭合抗疲劳效应止裂技术能够有效地阻滞穿透裂纹和表面裂纹在疲劳载荷下的裂纹扩展,甚至保持裂纹不扩展,是简便有效的疲劳止裂技术。学者对此技术中楔块与裂纹面力学作用机理方面的研究却很少。本文借助ANSYS通用有限元软件,对其作用机理进行有限元研究,主要工作及结果包括: (1)利用Plane82单元建立了楔块与单边穿透裂2D接触模型。采用罚函数法求解了接触模型。计算时发现载荷加载缓慢,模型更易收敛。在保证程序收敛情况下接触刚度越大越接近正确值,最后选取3。利用1/4位移奇异单元可以较好的处理裂纹尖端力学特性,得到与理论值相对误差小于1%的应力强度因子(SIF)值。计算楔块存在下裂纹应力强度因子幅,与周明绪模型进行对比,平均误差约为3.8%,验证了模型的正确性及指导工程实践的可用性。 (2)确定了半椭圆表面裂纹有限元建立方法,选择SOLID45和SOLID95单元借助ADPL语言建立了裂纹—楔块接触3D模型。计算不同裂纹长度下的SIF,与Newman-Raju公式计算值比较,在a向尺寸小于0.8板厚时符合较好。计算了楔块存在下表面裂纹有效应力强度因子幅,与银建中提出模型计算相比,平均相对误差约为4.2%。验证了模型的正确性及指导工程实践的可用性。 (3)确定了加楔载荷(R_(iw))比及楔块材质是影响止裂效果的关键因素。R_(iw)为0.8时,有效SIF幅为5.5-6.8 MPa·m~(1/2),非常接近裂纹扩展门槛值;R_(iw)为0.9时有效SIF幅约为3.8MPa·m~(1/2),低于门槛值,推荐工程使用0.9加楔载荷比。楔块弹性模量越大,止裂效果越明显。 (4)楔块与裂纹面之间的作用力分布不均匀,单边穿透裂纹嘴部接触压力约为108MPa逐渐递减到裂纹尖端部位的30M跏。对于半椭圆表面裂纹,a向接触力的作用力情况大于c向接触力,对于弯曲试件这种情况更加明显。从裂纹嘴部到裂纹尖端,楔块与裂纹面亦逐渐减小。通过计算发现,靠近裂纹尖端裂纹面内楔块作用虽比机械缺口处小,但其作用不能忽视,加楔时应该形成靠近裂纹尖端的楔块。 (5)比较了裂纹扩展有限元实现方法,认为Jiang Yanyao损伤模型可以实现。


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