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三维约束下裂纹端部损伤演化与裂纹扩展的计算模拟

邓锐  
【摘要】:疲劳断裂问题是常见的失效形式之一,其安全设计是飞机轻便性、安全性、经济性的的重要保障。在飞机结构中,损伤缺陷是不可避免的,而在载荷/环境谱的作用下结构的损伤会降低材料的承载能力,导致结构的破坏。损伤容限设计的提出便是为了解决损伤结构安全性的问题,这一性能的校核已成为国际适航性条例的刚性要求。然而,现行的损伤结构设计方法和评定技术主要是建立在二维的理论基础上,实际结构中往往具有强烈的三维结构和载荷效应。故本文基于Abaqus有限元软件,系统地分析了几何约束效应对含裂纹结构剩余强度和破坏行为的影响,发展三维断裂破坏理论基础。研究主要工作和结论如下:1)对于弹性材料,裂尖前沿Tz的分布只与厚度尺寸以及泊松比有关,与远端载荷和面内几何尺寸无关,Tz-r/B曲线具有高度的统一性。对于弹塑性材料,当厚度和面内几何尺寸不同时,裂尖的约束不同,即使在相同载荷下,裂尖屈服状态也不同,故Tz分布不同。此时Tz分布不仅与厚度尺寸有关,而且也与远端载荷和面内几何尺寸有关,对于裂尖屈服变形敏感。2)为了进一步分析裂纹端部三维约束的作用,本文定量的分析了离面约束因子Tz的分布规律,修正后的预测弹性Tz表达公式能够较好的描述单边裂纹拉伸变形裂尖前沿Tz的分布情况。3)通过Abaqus有限元模拟不同厚度单边裂纹试样三点弯曲裂纹的扩展行为,分析了裂纹扩展过程中三维约束的作用。结果显示,裂纹变形强烈地受试样的几何约束影响,而这种约束作用可由离面约束因子Tz表征。并且,J-Tz双参数理论能很好的描述扩展后大范围屈服的裂纹尖端场应力场。


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