考虑塑性区影响的铝合金疲劳裂纹扩展速率模型的研究

摘要

铝合金是纯铝加入一些合金元素制成的，如铝-锰合金，铝-铜合金，铝-铜-镁系列合金，铝合金材料容易加工，具有高度的散热性，轻质但是机械性能很出色。由于上述这些优点，铝合金被广泛应用到工程结构中。但是铝合金材料结构往往承受复杂的载荷条件，其中就包括:不同应力比下裂纹扩展速率的不同，裂纹尖端塑性区对裂纹扩展的影响。不考虑其影响预测结构的寿命是危险的，所以研究裂尖塑性区对裂纹扩展的影响有着很大的实际意义。
　　本文以7N01S-T5铝合金材料为研究对象完成了该种材料的断裂力学性能试验，并且研究了塑性区对其断裂力学性能的影响。本文的主要工作内容如下:
　　(1)针对具体工程问题，本文采用了SE(B)试样和M(T)试样进行了疲劳裂纹扩展试验设计，完成了不同应力比下的恒幅疲劳裂纹扩展试验，基于Pairs公式得到了不同应力比下疲劳裂纹扩展速率模型。
　　(2)分别建立了两种试样的有限元分析模型，采用了多线性随动强化模型近似模拟实际的铝合金材料的应力应变曲线，采用弹塑性有限元分析得到了不同应力比下裂尖点的应力应变场分布，研究了裂纹尖端应力应变场和正反向塑性区的分布，分析并且讨论了变化规律。
　　(3)通过弹塑性有限元分析，结合Irwin提出的正向塑性区和反向塑性区理论，解释了在负应力比下的压载荷部分对裂纹扩展的促进作用机理，以及应力比对裂纹扩展速率的影响。
　　(4)在小范围屈服条件下，以应力强度因子为断裂力学参量，依据弹塑性有限元分析出的拉-压循环下的裂纹尖端应力随时间变化曲线，确定了有效应力强度因子幅值，通过修正后的Pairs公式拟合试验数据获得了负应力比下统一的裂纹扩展速率模型。
　　(5)对于拉-拉循环载荷，讨论了小范围屈服条件范围，分别采用了Walker公式和Elber公式对试验数据进行拟合，并对比分析，建立了正应力比下的裂纹扩展速率模型。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 断裂力学研究国内外现状

1．2．1 线弹性断裂力学国内外现状

1．2．2 弹塑性断裂力学国内外现状

1．3 有限元方法在铝合金疲劳裂纹扩展研究中的意义

1．4 本文研究内容

第2章 铝合金疲劳裂纹扩展的试验研究

2．1 前言

2．2 疲劳裂纹扩展试验设计

2．2．1 试验材料特性

2．2．2 试验内容

2．2．3 试样设计

2．3 疲劳裂纹扩展试验过程

2．3．1 试验装置

2．3．2 试验步骤

2．4 拉-拉载荷下试验结果的分析与讨论

2．4．1 试验参数

2．4．2 试验数据处理方法

2．4．3 试验结果及分析

2．5 拉-压载荷下试验结果的分析与讨论

2．5．1 试验参数

2．5．2 试验数据处理方法

2．5．3 试验结果及分析

2．6 本章小结

第3章 弹塑性有限元模型及分析

3．1 理想弹塑性材料裂纹尖端的弹塑性响应

3．1．1 弹塑性力学简介

3．1．2 裂纹尖端线弹性力学和弹塑性力学应力场

3．2 有限元模型建立

3．2．1 材料特性

3．2．2 有限元的分析类型

3．2．3 M(T)试样有限元模型

3．2．4 SE(B)试样有限元模型

3．3 拉-压载荷下的有限元分析及讨论

3．3．1 外载荷随时间变化情况

3．3．2 裂尖的应力分析

3．3．3 裂尖的等效塑性变形分析

3．3．4 裂尖前方σy应力场分析

3．4 拉-拉载荷影响的有限元分析及讨论

3．4．1 施加外载荷随时间变化情况

3．4．2 裂尖的应力分析

3．4．3 裂尖的等效塑性变形分析

3．4．4 裂尖前方σx应力场分析

3．5 本章小结

第4章 拉-压恒幅载荷下疲劳裂纹扩展模型的建立

4．1．2 裂纹尖端塑性区尺寸

4．1．3 塑性区尺寸验证

4．2 扩展速率模型的修正

4．2．1 应力强度因子计算

4．2．2 ΔKeff的定义

4．2．3 考虑塑性区影响的裂纹扩展速率修正公式

4．3 本章小结

第5章 拉-拉恒幅载荷下疲劳裂纹扩展模型的建立

5．1 拉-拉载荷下的小范围屈服条件的验证

5．2 考虑应力比影响的的扩展速率修正模型

5．2．1 Walker扩展速率预测模型

5．2．2 Elber扩展速率预测模型

5．3 依据试验数据对修正公式进行拟合结果

5．3．1 Walker扩展速率预测模型的拟合结果

5．3．2 Elber扩展速率预测模型的拟合

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢