30Cr1Mo1V转子钢疲劳裂纹扩展数值模拟分析

摘要

汽轮机转子是汽轮机的核心部件之一，长期服役条件下的转子，受到疲劳载荷的作用，会导致裂纹的萌生并不断扩展。为了提高转子的可靠性和对其运行寿命进行较为精确的预测。有必要对转子材料的裂纹扩展行为进行研究，找到裂纹扩展的规律。本文以汽轮机转子钢30Cr1Mo1V为研究对象，利用有限元法研究其疲劳裂纹扩展特征。
　　 应力强度因子是断裂力学中重要的参数，通过采用20节点SOLID186退化奇异单元，利用ANSYS软件，对一定尺寸的紧凑拉伸(CT)试样裂纹进行分析，得出30Cr1Mo1V转子钢裂纹尖端KⅠ随裂纹长度和载荷水平改变时的变化规律。采用类似的有限元建模方法，分析不同裂纹长度下，三点弯曲试样裂纹尖端的应力强度因子。
　　 利用FRANC2D软件，对不同偏移距的三点弯曲试样Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹进行分析，得到裂纹扩展过程中应力应变的分布情况以及扩展路径变化。通过提取裂纹尖端的KⅠ和KⅡ的值，对裂纹扩展角进行详细计算。裂纹扩展过程中的大致趋势是：裂纹先是偏向于支撑距离较大的一侧方向发展，然后又向中线方向靠拢；首先表现出Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的扩展行为，随着裂纹的继续扩展，呈现出Ⅰ型裂纹的扩展行为。
　　 分析了裂纹扩展速率的影响因素，在Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展路径有限元仿真的基础上，利用计算结果，采用Paris公式，得到疲劳裂纹扩展速率与循环周次，绘制疲劳裂纹扩展速率和循环周次随裂纹长度的变化曲线，结果表明：随着裂纹偏移距增大，裂纹扩展速率变慢，扩展到同一长度时的载荷循环周次越大，表明疲劳寿命越大，偏移距增大到一定值的时候，裂纹不发生扩展。同时对采用国内与西屋公式的计算结果进行对比和计算。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景

1.2裂纹扩展的研究现状

1.2.1基于断裂力学的裂纹扩展研究

1.2.2断裂力学中数值分析方法的研究

1.3本文主要研究内容

第二章断裂力学基本理论

2.1应力强度因子

2.1.1裂纹尖端附近的应力场和位移场

2.1.2应力强度因子的有限元求解方法

2.2裂纹断裂判据

2.2.1最大周向拉应力准则

2.2.2最小应变能密度准则

2.3本章小结

第三章基于ANSYS的应力强度因子和J积分的有限元分析

3.1 ANSYS有限元软件及单元简介

3.2有限元建模

3.2.1问题描述

3.2.2有限元模型的生成

3.2.3加载与求解

3.2.4查看求解结果

3.3数据分析

3.4三点弯曲试样应力强度因子计算

3.5本章小结

第四章基于FRANC2D的裂纹扩展分析

4.1 FRANC2D软件简介

4.1.1网格生成与细分

4.1.2软件操作方法

4.2基于FRANC2D的裂纹扩展路径模拟过程

4.2.1前处理

4.2.2求解与后处理

4.3裂纹扩展路径分析

4.3.1裂纹扩展路径显示

4.3.2不同偏移距的裂纹扩展角度分析

4.3.3不同偏移距扩展状态对比

4.4本章小结

第五章裂纹板疲劳寿命分析

5.1引言

5.2疲劳裂纹扩展一般规律

5.2.1疲劳裂纹扩展速率

5.2.2裂纹扩展速率的影响因素

5.3疲劳计算方法

5.3.1 S-N曲线法

5.3.2 ε-N局部应变法

5.3.3 LEFM裂纹扩展寿命法

5.3.4 Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹寿命预测

5.4基于FRANC2D的寿命计算

5.5本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

附 录(攻读硕士学位期间发表的论文)