燕尾榫结构微动疲劳有限元分析研究

摘要

微动疲劳现象会加速零部件疲劳裂纹萌生与扩展,从而明显降低构件的服役寿命,是导致汽轮机、航空发动机叶片损伤失效的主要原因。叶片与轮盘连接的燕尾榫结构由于受到复杂载荷作用，在榫头与榫槽的接触部位容易发生微动损伤。因此研究燕尾榫结构微动疲劳现象有着重要的工程应用价值。接触强度分析和裂纹扩展研究是研究燕尾榫结构微动现象的两个关键问题。接触强度计算可以通过有限元计算来实现；扩展有限元法由于采用了具有不连续性质的扩充形函数来描述裂纹尖端不连续性，因此可以使裂纹独立于网格边界，从而被广泛应用于裂纹问题的研究中。
　　本文所做工作如下：
　　（1）简要介绍了扩展有限元法（XFEM）及其相关的断裂理论。XFEM方面主要包括：XFEM基本原理、水平集函数追踪裂纹的方法以及对裂纹尖端富集函数的描述。断裂理论方面主要介绍了应力强度因子的求解方法、裂纹萌生位置以及裂纹扩展方向的判定准则。
　　（2）建立燕尾榫结构有限元模型，对燕尾榫结构接触区的高应力梯度求解，分析接触面上的应力分布情况。在此基础上，提出了疲劳裂纹萌生位置、萌生角度以及裂纹扩展方向的预测方法，进一步采用XFEM对燕尾榫结构榫头接触区裂纹扩展进行数值模拟。将裂纹萌生位置以及裂纹萌生角度、裂纹扩展角度的分析结果与实验结果、国外研究结果相对比，验证XFEM用来模拟燕尾榫结构疲劳裂纹扩展的可靠性。
　　（3）对影响微动疲劳过程的摩擦系数、循环载荷应力比以及接触长度等有关参数进行了分析。结果表明：减少摩擦系数和增加接触区尺寸是提高燕尾榫结构疲劳强度的可靠方法。另外，微动疲劳接触应力参数随着循环应力比的增加有所增加。

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附表索引

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 研究现状

1.3 本文的主要研究工作

第2章 扩展有限元法及相关断裂理论

2.1 断裂力学基本理论

2.2 应力强度因子

2.3 裂纹萌生位置及扩展方向判断方法

2.4 扩展有限元方法

2.5 本章小结

第3章 基于XFEM的燕尾榫结构裂纹扩展分析

3.1 引言

3.2 圆柱与平面接触的有限元模型

3.3 燕尾榫结构接触应力分析

3.4 裂纹萌生与扩展分析

3.5 断裂准则

3.6 燕尾榫结构接触裂纹扩展分析

3.7 与试验结果、文献结果对比讨论

3.8 本章小结

第4章 微动疲劳影响因素分析

4.1 引言

4.2 不同影响因素分析

4.3 本章小结

结论与展望

1．论文总结

2．展望

参考文献

致谢

附录A：攻读硕士学位期间发表的学术论文