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含表面裂纹某航空构件在复合加载下的三维损伤容限研究

闫励  
【摘要】: 复合载荷模式下的含初始表面裂纹结构或部件是航空航天工程中常见的复杂损伤结构。对裂纹前沿的应力场计算和损伤容限分析对航空结构的安全性及寿命设计至关重要。目前工程中主要基于二维疲劳断裂理论评定结构损伤,而实际工程中因结构和载荷的复杂性而出现强烈的三维效应。本文主要基于三维断裂理论对含倾斜表面裂纹弹性体、结构三维剩余强度以及含裂结构的裂纹扩展,进行了系统研究,具体的研究工作和结论如下: 1.针对含倾斜半椭圆表面裂纹弹性体,本文给出了裂纹前沿复合型应力强度因子的分布规律;并着重考察了椭圆形状因子a/c、厚度比a/t、裂纹面倾角β、以及泊松比υ等参数对应力强度因子分布的影响。研究发现,沿整个裂纹前沿,I型应力强度因子受a/t影响较大;II型应力强度因子受a/c影响较大,III型应力强度因子受a/c、a/t影响皆较弱。当β≥45°,离面约束因子TZ显著增强,且受a/c影响较大,需充分考虑三维效应;而II型和III型应力强度因子也不能被简单忽略。 2.基于三维弹性力学和断裂理论,通过有限元分析预测了含表面裂纹复杂工程结构的三维剩余强度,并与二维平面应变断裂理论预测结果相对比,发现二维断裂理论预测结果偏保守,而三维断裂理论的预测结果更具有潜在的应用价值。 3.本文针对含表面裂纹的工程实际结构,进行了复杂载荷环境下的疲劳裂纹扩展模拟和寿命预测;为航空工程结构的损伤容限设计及虚拟实验研究提供了参考。


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