复杂结构的三维疲劳断裂强度模拟

摘要

航空航天器、汽车、机床等工程中广泛使用的各种机械设备往往都是由结构复杂的各种部件构成的。在设备的使用过程中，各构件由于受力的持续性和循环性，以及材料本身存在的缺陷，往往容易出现破坏。这种破坏主要有疲劳和断裂两种形式，因此，疲劳断裂力学已经成为工程结构强度和可靠性分析的必要工具。当前广泛应用的疲劳断裂理论往往是基于二维断裂力学的平面理论，而实际构件由于结构较复杂，往往呈现出强烈的三维效应，因此，对于复杂结构的三维破坏研究具有重要的理论和实际意义。本文对三维疲劳断裂领域中的应力集中、疲劳寿命和裂纹扩展三方面的问题进行了研究，主要包括以下内容： 1．基于三维有限元方法具体研究了含椭圆孔板的三维应力集中系数随泊松比的变化规律，发现了泊松比对厚度依赖的三维应力集中系数有较大的影响。并得出了一组以孔的形状因子、板的无量纲厚度和泊松比为参数的经验公式，该组公式较精确地描述了该问题中应力集中系数的最大值、表面值和平面解之间的关系，对于目前工程中普遍采用的应力集中的测定方法有较大的改进意义。 2．根据局部应力理论，研究了受泊松比影响的三维应力集中对疲劳强度的影响。研究发现，若考虑三维最大应力集中对疲劳强度的影响，预测值比仅考虑表面或二维应力集中小，说明局部最大的三维应力集中对疲劳强度有削弱作用。因此，忽略应力集中三维效应的影响会带来极大的安全隐患。 3．随着计算机技术的发展，三维裂纹分析变得可行，但是复杂结构的三维裂纹建模和扩展的准确模拟仍是巨大挑战。因此，本文基于含孔板构件对角裂纹的扩展进行了模拟研究，发展了疲劳裂纹自动扩展的模拟方法。以该方法为基础，可以进一步实现任意复杂构件的疲劳裂纹扩展模拟，对三维损伤容限技术的实际应用具有重要的现实意义。