考虑摩擦效应的表面裂纹应力场特性研究

摘要

机械工程中约有80％的构件失效是由于疲劳破坏造成的，而表面裂纹是疲劳破坏的疲劳源之一，一般呈半椭圆型。近年来，随着摩擦疲劳学的发展，疲劳破坏和摩擦磨损失效之间的交互作用使得单一地从摩擦学观点或疲劳学观点对运行在摩擦条件下，同时又产生和传递着交变负荷的机械系统的损伤、寿命或极限状态进行评估都是不全面的。因此，研究摩擦磨损和疲劳复合作用的损伤机理具有重要意义。 本文以滑动摩擦荷载系统为研究对象，通过有限元方法分析了滑动摩擦效应对疲劳破坏的影响，主要工作如下: 首先，研究探求ANSYS中含半椭圆型表面裂纹构件的有限元建模方法，利用ANSYS提供的参数化编程语言APDL实现了表面裂纹前缘奇异应力场的模拟、含裂纹构件的参数化建模和后处理中计算应力强度因子的宏程序。 其次，建立了典型的滑动摩擦磨损-疲劳有限元分析模型，通过有限元方法仿真模拟滑动摩擦过程，得到了裂纹前缘随时间变化的等效应力云图，并分析了不同法向载荷、不同摩擦因数、不同椭圆形状比和不同椭圆参数角下表面裂纹前缘的应力场及应力强度因子的变化规律，探讨了各因素作用下的应力场特性。载荷越大，裂纹前缘的应力应变越大，应力强度因子也越大;与不考虑摩擦效应相比，考虑摩擦效应时，在小滑块靠近裂纹的过程中，摩擦效应与压应力场的作用效果相反，应力强度因子减小，而当小滑块远离裂纹时，它们的作用效果相同，应力强度因子增大，摩擦因数越大，摩擦效应越强;椭圆形状比对应力强度因子的影响还会受到摩擦效应及椭圆参数角的作用;无论是否考虑摩擦效应，椭圆参数角越大，KⅠ、KⅢ越小，KⅡ越大。 最后，基于热分析和有限元热-结构耦合分析理论，得到了滑动摩擦过程中的温度场分布云图及热效应对裂纹前缘应力场的影响。考虑热效应时，KⅠ、KⅢ均增大，KⅡ只有在小滑块位于裂纹附近时才增大，而在其他位置时，KⅡ反而减小，但总体来说，摩擦热效应加速了疲劳裂纹扩展。

目录

声明

摘要

1．1选题背景及意义

1．2摩擦疲劳学理论

1．2．1摩擦疲劳学的发展

1．2．2荷载摩擦副系统

1．2．3正向效应和负向效应

1．3研究现状

1．3．1断裂力学研究现状

1．3．2摩擦学研究现状

1．3．3摩擦疲劳学研究现状

1．4本文研究内容

第2章断裂力学与有限元理论

2．1断裂力学相关理论

2．1．1裂纹的基本类型

2．1．2断裂参量

2．1．3应力强度因子的求解方法

2．2有限元分析

2．2．1有限单元简介

2．2．2单元的奇异化处理

2．2．3 ANSYS中应力强度因子的计算

2．3接触分析

2．3．1 ANSYS接触单元

2．3．2 ANSYS接触算法

2．3．3 ANSYS接触对的创建

第3章含裂纹构件有限元建模

3．1几何模型及相关参数

3．2有限元模型

3．3 APDL语言生成奇异单元及应力强度因子求解

3．4实体建模方法验证

3．4．1应力强度因子KⅠ的验证

3．4．2应力强度因子KⅡ和KⅢ的验证

3．5本章小结

第4章滑动摩擦效应对裂纹应力场特性的影响

4．1瞬态动力学分析

4．1．1瞬态动力学分析的定义

4．1．2瞬态动力学分析的三种求解方法

4．1．3时间载荷的施加方法

4．1．4滑动速度载荷的施加

4．2．1载荷

4．2．2表面粗糙度

4．2．3温度场

4．3滑动摩擦模型的建立

4．4滑动摩擦过程等效应力云图

4．5载荷尸对应力强度因子影响分析

4．5．2载荷P对KⅡ的影响

4．5．3载荷P对KⅢ的影响

4．6摩擦因数fs对应力强度因子影响分析

4．6．2摩擦因数fs对KⅡ的影响

4．6．3摩擦因数fs对KⅢ的影响

4．7．1椭圆形状比b／a对KⅠ的影响

4．7．2椭圆形状比b／a对KⅡ的影响

4．8椭圆参数角φ对应力强度因子影响分析

4．8．2椭圆参数角φ对KⅡ的影响

4．8．3椭圆参数角φ对KⅢ的影响

4．9本章小结

第5章摩擦热效应对裂纹应力场的影响

5．1热分析基本概念

5．1．1热力学第一定律

5．1．2热传递方式

5．1．3热分析类型

5．2．1耦合场分析的类型及耦合单元

5．2．2 ANSYS热分析边界条件

5．3摩擦热效应的影响因素

5．4温度分布云图

5．5摩擦热效应对应力强度因子影响分析

5．5．2摩擦热效应对KⅡ的影响

5．5．3摩擦热效应对KⅢ的影响

5．6本章小结

6．1结论

6．2展望

参考文献

致谢

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