应用PVDF压电材料和有限元法估算结构表面裂纹深度

摘要

裂纹几何尺寸是在结构的抗疲劳设计、疲劳断裂力学分析、断裂判据和疲劳断裂控制中非常重要的依据.在作业环境下,迅速准确地确定结构中疲劳裂纹的几何尺寸具有重要意义.本文根据裂纹深度和裂纹开口位移与名义应变比值之间的简单比例系数关系,利用PVDF的压电特性和有限元法对结构表面裂纹的深度进行估算.无限大三维弹性体超奇异积分方程的解析解表明位移间断和裂纹深度之间存在简单的比例系数关系.本文首先考察了该解析解适用的有限大三维弹性体尺寸条件,通过有限元计算得到当三维弹性体各向尺寸大于等于裂纹尺寸的7倍时,可以应用无限大三维弹性体超奇异积分方程的解析解.通过引入表面影响系数,得到了半无限大三维弹性体表面裂纹开口位移与裂纹深度间的近似计算公式.论文通过算例验证了近似计算公式的适用性.平板结构是较为常见的工程结构之一.受到板宽、板厚等边界条件的影响,上述近似计算公式不再适用.论文对含表面裂纹的平板结构进行系列计算.计算中考虑了不同裂纹形状、不同裂纹深度和长度对该比例关系的影响.为消除载荷大小的影响,论文将裂纹开口位移与名义应变的比值作为一个特征参数进行讨论.计算结果表明开口位移和裂纹深度之间的比例系数关系没有本质变化.板宽、板厚等边界条件仅影响比例系数的大小.在实际应用中可以通过试算得到该系数.论文给出了确定比例系数的算法.本文通过有限元数值计算讨论了应用PVDF压电材料测量平板结构表面裂纹开口位移的可行性.计算表明在裂纹开口附近的结构变形主要由裂纹的存在引起,并且开口两侧小范围内存在一个

目录

文摘

英文文摘

1前言

1.1研究背景及意义

1.2裂纹检测方法及研究现状

1.2.1常用的几种裂纹检测方法

1.2.2裂纹检测研究现状

1.3本文研究内容

参考文献

2平片裂纹的表面位移间断与裂纹深度关系

2.1超奇异积分方程及其解析解

2.2三维弹性体中裂纹位移间断与裂纹深度

2.2.1弹性体尺寸对位移间断影响

2.2.2裂纹深度与位移间断之间相关关系的数值验证

2.3“半无限大”三维弹性体表面裂纹深度与开口位移之间的相关关系

2.3.1裂纹深度与位移间断相关关系的确定

2.3.2算例

2.4平板结构中的表面裂纹开口位移和裂纹深度之间的相关关系

2.4.1表面裂纹深度的影响

2.4.2表面裂纹宽度的影响

2.4.3表面裂纹形状的影响

2.5应用比例关系估测裂纹深度

参考文献

3应用PVDF压电材料测量表面裂纹开口位移

3.1 PVDF压电材料及其性质

3.2压电方程及输入输出信号之间的关系

3.3表面裂纹开口附近的变形特点

3.4 PVDF压电薄膜有效长度的确定

3.5 PVDF压电薄膜在测量结构裂纹开口张开位移上的应用

参考文献

4应用PVDF压电薄膜和有限元法估算裂纹深度

4.1试验简介

4.2光滑平板条的表面槽形裂纹的深度估算

4.2.1试验试件以及PVDF压电薄膜布置

4.2.2试验原始数据

4.2.3试验数据处理及试验结果

4.3带表面裂纹的平板梁裂纹深度估算试验

4.3.1试验准备

4.3.2试验结果

4.3.3试验数据处理

4.4焊接构件焊脚处疲劳裂纹深度的估算

4.4.1试验试件及疲劳裂纹的生成

4.4.2 PVDF压电薄膜及试验电路布置

4.4.3试验数据

4.4.4裂纹深度的估算及结果比较

参考文献

结论

附录A基于ANSYS的裂纹深度估算程序

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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