考虑摩擦的材料界面裂纹疲劳特性分析

摘要

本研究课题来源于甘肃省自然科学基金及教育部创新团队项目。因复合材料构件在工作过程中界面处会因外载荷的作用而产生相对滑动，出现摩擦接触。为提高复合材料构件的使用强度和延长工作寿命，对摩擦接触下的材料界面裂纹疲劳特性的研究是十分必要的。
　　本文基于弹性理论，以材料界面断裂理论和摩擦理论为依据，以材料界面构件为具体的研究对象，采用有限元数值模拟计算方法，研究裂纹面摩擦对材料界面裂纹疲劳特性的影响。在材料界面裂纹建模的过程中，主要采用ANSYS有限元分析软件建立复合材料模型及界面裂纹模型，并在界面裂纹面设置摩擦接触。已有大量的实验证明，裂纹面摩擦系数f=0.2～0.6，本文取f=0.2、0.25、0.3、0.35、0.4。应用ANSYS软件 APDL程序化语言进行编程对裂尖进行奇异化处理，计算裂纹尖端断裂控制参量，研究了不同裂纹面摩擦系数f及不同界面裂纹尺寸参数（a/w）下，裂纹尖端位移、等效应力和应力强度因子的变化趋势。还应用ABAQUS软件分析研究了材料界面裂纹在不同裂纹面摩擦系数f下，裂纹具体的扩展路径，并计算了f=0、0.2、0.4、0.6时的裂纹扩展长度。然后在单裂纹研究成果的基础上，以轮轨界面多裂纹为研究对象，预制界面裂纹与平面夹角呈45o，设置轮轨界面摩擦接触及钢轨裂纹面摩擦接触，拓展研究了材料界面多裂纹在考虑摩擦接触条件下裂纹间的相互影响情况，得到多裂纹对裂纹扩展的影响结果以及裂纹之间相互影响的结果。
　　本文得到的主要成果有：
　　（1）相同裂纹尺寸参数下，随着裂纹面摩擦系数的增大，裂纹尖端位移、等效应力和应力强度因子会减小；
　　（2）裂纹面摩擦系数不变，裂纹尺寸参数变化时，裂纹尖端位移、等效应力和应力强度因子呈现波动的变化。
　　（3）裂纹面摩擦对裂纹扩展行为具有阻碍作用，裂纹尖端应力分布会随着裂纹面摩擦系数的增加呈递减趋势；
　　（4）裂纹面摩擦也可以被人为地利用来提高结构的承载能力，延长机械零部件的使用寿命，具有很大的工程实用价值。
　　（5）考虑摩擦接触，多裂纹更具有阻碍轮轨界面疲劳裂纹扩展的作用；
　　（6）轮轨界面裂纹尖端应力强度因子 KI与KII的值随着裂纹数量的增加呈递减趋势；车轮接触斑接近裂纹时，应力强度因子 K将取得最大值。

目录

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附表索引

第1章 绪 论

1.1 课题提出的意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究目标及主要内容

1.4 本章小结

第2章 裂纹尖端应力应变场与裂纹扩展

2.1 引言

2.2 线弹性力学基本方程

2.3 线弹性力学场变量方程

2.4 线弹性力学平面问题的应力应变关系

2.5 裂纹尖端应力场和位移场

2.6 界面裂纹扩展

2.7 本章小结

第3章 裂纹面摩擦对界面裂纹尖端场强的影响

3.1 引言

3.2 界面裂纹及应力强度因子

3.3 裂纹面摩擦效应

3.4 裂纹面摩擦对界面裂纹尖端场强的影响

3.5 本章小结

第4章 裂纹面摩擦对界面裂纹扩展的影响

4.1 引言

4.2 材料界面断裂理论

4.3 裂纹面摩擦阻尼分析

4.4 裂纹面摩擦对界面裂纹扩展的影响

4.5 摩擦系数 f 对界面裂纹尖端应力分布的影响

4.6 摩擦系数 f 对界面裂纹的扩展长度的影响

4.7 本章小结

第5章 考虑摩擦的界面多裂纹相互影响特性

5.1 引言

5.2 轮轨界面多裂纹的特点

5.3 轮轨接触疲劳破坏的形成机理

5.4 摩擦与轮轨接触疲劳破坏的关系

5.5 轮轨界面和裂纹面摩擦接触下多裂纹对裂纹扩展的影响

5.6 轮轨界面多裂纹相互作用的影响

5.7 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士期间发表论文情况

附表一 不同摩擦系数下应力强度因子数值

附表二 不同摩擦系数下应力与位移数值

附录B 裂纹尖端有限元法奇异化处理程序