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多轴载荷下疲劳裂纹扩展寿命分析方法研究

周超羡  
【摘要】:中介机匣是涡轮风扇发动机的重要承力构件,承受着复杂的气动载荷和飞机机动飞行载荷,先进发动机的中介机匣通常为整体铸造结构,在制造过程中容易引入各种铸造缺陷,为保证其安全性和耐久性,有必要进行损伤容限设计和分析,而其关键是多轴载荷下疲劳裂纹扩展分析方法. 本文对等幅疲劳载荷下复合型平板穿透裂纹扩展的数值模拟方法进行了研究,提出了基于商用有限元软件的复合型裂纹扩展数值模拟过程方法和流程,对影响裂纹扩展数值模拟结果的两个重要因素——应力强度因子计算方法和裂纹扩展步长的选取进行了研究和评估。研究表明:采用奇异单元法计算复合型裂纹的应力强度因子,可以以较少的网格数量获得较高的计算精度,奇异单元特征尺寸与裂纹长度的比值需控制在1/10以内,对于复合型裂纹,裂纹扩展步长n在100~500之内选择时,对裂纹扩展数值模拟结果没有明显影响。 分别对带中心穿透裂纹的2024-T3铝合金矩形板和6082-T6铝合金紧凑拉伸试样矩形板裂纹扩展过程进行了数值模拟。研究表明:最大周向应力准则和最小应变能密度准则确定的裂纹扩展开裂角差别较小;几种裂纹扩展模型所预测的复合型疲劳裂纹扩展路径基本重合在一起,没有明显差别,但与试验结果均存在一定差别;采用有效应力强度因子扩展率模型预测的裂纹扩展寿命比应变能密度因子模型的预测结果偏小。


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