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基于损伤力学裂纹萌生及扩展可靠寿命研究

柳溪溪  
【摘要】:随着科技的进步,各类机械产品或设备逐渐大型化、精密化的方向发展,由于设备和构件承受复杂的交变载荷作用,疲劳断裂成为结构与构件失效的主要原因。疲劳断裂的根本原因在于疲劳裂纹。微裂纹以及宏观裂纹的存在,会严重地影响机械构件的使用性能以及安全性。目前常用的处理疲劳裂纹的方法将疲劳裂纹分为裂纹萌生及裂纹扩展两个阶段,并分别用不同的方法进行处理。此方法难以确定裂纹萌生及扩展的边界问题,并且不能描述微裂纹从产生到扩展的整个演化过程。同时断裂力学理论并不能探究微裂纹各单元的损伤过程。由此,需要建立既能探究微裂纹损伤规律,同时能将裂纹萌生及扩展统一研究的计算模型。本文主要工作为:基于损伤力学理论建立金属疲劳裂纹损伤模型,结合有限元法预估疲劳微裂纹萌生及扩展全寿命。通过引入损伤演化方程,建立起损伤因子与载荷循环次数的关系,并利用有限元法建立所研究试件的模型,确定计算过程,通过引入附加载荷法,实现了对刚度矩阵的连续计算。应用MATLAB编程计算,给出了程序编写的流程图。通过对单个单元的损伤计算,得到了单元从无损到破坏过程中等效应力的变化,进而给出疲劳裂纹损伤模型,并对不同规格金属试件的疲劳寿命预估。进一步将计算结果与试验结果进行对比,验证该模型的准确性。通过单元破坏的顺序模拟出裂纹损伤路径,对不同形状试件进行模拟计算,得到了裂纹扩展规律,并与引例进行对比,验证计算结果的准确性。对所建立的模型进行了灵敏度分析,得出各参数对计算结果影响程度的排序,确定对计算结果影响最大的参数以及对计算结果影响较小的参数,对实现高效计算,具有重要的意义。最后对所建立的疲劳损伤模型进行了可靠性灵敏度分析,得出模型中各参数对试件失效的影响程度,对实际生产中预防试件失效、安全生产具有重要的参考意义。本文推导的裂纹萌生及扩展寿命计算的统一模型,减少了理论应用范围,且计算方便,可以进行实际应用,对于预估疲劳寿命以及模拟疲劳裂纹,具有重要的意义。


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