滑动接触下裂纹尖端应力场及疲劳寿命研究

摘要

现代化装备绝大多数的故障是疲劳和摩擦磨损造成的。而摩擦和机械疲劳是以一种复杂的方式彼此交互作用的，所以无论是单纯的从摩擦学观点还是纯粹地从机械疲劳的观点出发，都不可能全面地进行一类特殊机械系统的损伤、寿命或极限状态的评估。因此综合分析和评估摩擦与疲劳之间的关系是十分有必要的。
　　分析了可能影响滑动摩擦—疲劳复合作用的因素，对这些影响因素的作用机理及相互之间的联系进行分析，整理分析数据，确定共同作用影响因素。
　　通过ANSYS有限元分析软件建立典型的滑动摩擦-疲劳模型，以J积分为参照量，采用断裂力学和有限元法对无润滑摩擦条件下滑动接触效应对表面裂纹尖端应力场的影响进行研究，分别得到了不同摩擦因数、不同接触压力、不同裂纹长度和不同裂纹形态下裂纹尖端应力场的变化规律。裂纹尖端应力场波动幅度随着接触压力的增大而增大;摩擦效应对裂纹尖端应力场的影响因裂纹形态不同而有变化，对于竖直型裂纹，摩擦效应的增加加剧了裂纹尖端的应力场变化，对于斜裂纹，在滑动至裂纹附近时，摩擦效应的增加减弱了裂纹尖端的应力场变化。相同接触压力和摩擦效应下，裂纹与滑动速度方向的夹角越小，裂纹尖端应力场变化越显著。裂纹尖端应力场随着裂纹深度的增加先增大后减小。
　　应用FE-SAFE疲劳分析软件进行不同加载情况下疲劳寿命进行分析。分析了载荷、摩擦因数和不同形式裂纹情况下，疲劳寿命的变化规律。一般情况下，疲劳寿命与特定载荷下裂纹尖端应力场的变化密切相关，即裂纹尖端应力场波动越剧烈，疲劳寿命就越低。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 摩擦疲劳学研究进展

1．2．1 摩擦疲劳学的提出

1．2．2 摩擦疲劳学的研究内容

1．2．3 摩擦疲劳学的研究方法

1．3 裂纹扩展的断裂力学基础

1．3．1 裂纹问题的基本类型

1．3．2 能量平衡理论

1．3．3 裂纹尖端应力场理论

1．3．4 COD理论

1．3．5 J积分

1．4 论文的主要研究内容

第2章 影响因素分析

2．1 滑动摩擦影响因素

2．1．1 载荷的影响

2．1．2 滑动速度与温度的影响

2．1．3 表面涂层的影响

2．1．4 表面粗糙度的影响

2．2 疲劳强度影响因素分析

2．2．1 载荷

2．2．2 表面粗糙度

2．2．3 环境因素

2．2．4 应力集中

2．2．5 尺寸效应

2．3 本章小结

第3章 滑动接触下裂纹尖端应力场研究

3．1 接触问题理论基础

3．1．1 Hertz接触理论

3．1．2 有限元接触理论

3．1．3 滑动接触下应力应变状态

3．2 ANSYS软件简介

3．2．1 ANSYS软件分析基本过程

3．2．2 ANSYS软件接触问题理论基础

3．3 荷载摩擦副系统模型的建立

3．4 滑动过程分析

3．4．2 θ≠90°时裂纹J积分值变化规律

3．5 裂纹尖端应力场影响因素分析

3．5．2 摩擦因数对J积分值影响

3．5．3 裂纹与滑动速度夹角对J积分影响

3．5．4 裂纹长度对J积分影响

3．6 本章小结

第4章 滑动接触下疲劳寿命分析

4．1 摩擦与疲劳寿命之间的相互影响

4．2 裂纹扩展的疲劳寿命理论基础

4．2．1 疲劳破坏过程

4．2．2 疲劳裂纹扩展速率模型

4．2．3 疲劳裂纹扩展影响因素

4．2．4 疲劳寿命预测理论与方法

4．3 FE-SAFE软件简介

4．4 疲劳寿命分析

4．5 疲劳寿命影响因素分析

4．5．1 载荷对疲劳寿命的影响

4．5．2 摩擦因数对疲劳寿命的影响

4．5．3 裂纹与滑动速度夹角对疲劳寿命的影响

4．5．4 裂纹长度对疲劳寿命的影响

4．6 本章小结

5．1 结论

5．2 工作展望

参考文献

致谢

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