CT试样疲劳裂纹扩展特性及K断裂参量的数值模拟

摘要

在机械、石油化工和土木等领域中,很多工程构件和压力容器经常受到周期性载荷的作用,导致疲劳裂纹的启裂和扩展,最终造成灾难性的后果,由此可见,对疲劳裂纹扩展行为的研究具有非常重要的现实意义。而裂纹形貌的变化直接影响到疲劳裂纹的扩展速率,进而会影响到压力容器和工程构件剩余寿命的精确评估,同时应力强度因子又是一个重要的断裂力学参量,故文中采用压力容器常用材料Q345R钢,对紧凑拉伸试样(CT试样)疲劳裂纹的扩展形貌以及裂纹尖端处的应力强度因子进行研究分析,具体如下:
　　 利用相关数据处理软件,对常幅载荷下的Ⅰ型疲劳裂纹形貌进行椭圆方程拟合,并对裂纹形貌的隧道效应(隧道深度和表面角)进行分析,结果表明:在初始裂纹扩展阶段,椭圆方程能够合理描述裂纹形貌,隧道深度逐渐增大,表面角急剧降低;在稳定裂纹扩展阶段,裂纹具有以相似半椭圆形貌向前扩展的特性,随着扩展行为的进行半椭圆的长短轴不断发生变化,隧道深度和表面角均逐渐趋于稳定。此外,采用高斯方程对单个拉伸过载下的疲劳裂纹形貌进行了拟合分析,取得了较好的拟合效果,表明单个拉伸过载下的疲劳裂纹形貌具有与射箭用的“弯弓”型相似的特性。
　　 使用有限元分析软件对二维CT试样在不同裂纹长度和外载荷条件下的应力强度因子进行了计算与分析。结果表明:裂纹长度相同时,随着载荷的变化,应力强度因子K与载荷成线性关系;施加的载荷相同时,随着裂纹长度的增加,应力强度因子K增加,且增速越来越快。
　　 在三维状态和平面应变状态下,使用有限元分析软件计算CT试样直线裂纹形貌的应力强度因子,结果表明:在试样厚度的中间区域中,三维状态时的应力强度因子大于平面应变状态时的结果。之后对实际曲线裂纹和平均裂纹的直线裂纹形貌的应力强度因子进行有限元计算,结果表明:试样厚度中间区域的应力强度因子范围小于表面层区域的应力强度因子范围;平均裂纹的直线裂纹形貌应力强度因子范围沿试样厚度上的分布规律与实际裂纹形貌恰好相反。另外,对CT试样缺口根部初始直线裂纹形貌的启裂规律进行研究,得到了CT试样厚度方向上中间区域比表面附近区域更先启裂的规律。