基于断裂力学的疲劳寿命预测工具箱的开发

摘要

本文疲劳寿命预测的理论基础基于断裂力学。开发环境是MATLAB软件的GUIDE界面编辑器。通过查阅相关文献可知，目前基于断裂力学预测疲劳寿命方面的理论众多。但是国内外对基于断裂力学理论的疲劳寿命预测工具箱开发研究比较少。有些单位针对自身的研究领域开发了寿命预测系统，但是其通用性比较差。并且鉴于保密的原则有许多软件用户是不能使用的。为了解决这一问题本文选用MATLAB作为开发平台，基于断裂力学理论致力于对疲劳寿命预测系统的工具箱的开发。另一方面，断裂力学理论描述了裂纹扩展的真实过程。用断裂力学进行裂纹扩展寿命预测得到的结果比较准确，能为工程解决一些实际问题。因此，本文的研究具有重要的理论意义和应用价值。
　　本文主要研究了疲劳载荷作用下的零构件疲劳寿命的估算问题和损伤容限设计问题。首先，对该系统进行功能分析确定功能模块。其次，对疲劳裂纹扩展速率拟合曲线进行了拟合分析。确定了诸如Paris公式曲线、Walker公式曲线、Forman公式曲线等六种裂纹扩展速率曲线拟合的四种数据处理方法。实现了疲劳裂纹扩展速率公式的四种数据处理方法的拟合过程。再次，研究了恒幅载荷条件下疲劳裂纹扩展寿命的预测方法。该模块实现了常用结构的应力强度因子的获取和裂纹扩展寿命的估算。然后，基于损伤容限理论实现了对裂纹剩余寿命、剩余强度以及检查间隔等方面的估算。再后，研究了变幅载荷的等效方法，实现了变幅载荷条件下的零构件疲劳寿命预测。最后，利用MATLAB将以上内容进行程序实现。完成了本系统的界面编制工作。
　　该系统是基于MATLAB的疲劳寿命预测工具箱的组成部分之一。也可以在MATLAB环境下独立运行。该系统有着良好的拓展移植性和通用性，为广大的疲劳研究工作者和工程技术应用人员提供了一个有力的工具。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的目的和意义

1．2 国内外的研究现状

1．2．1 疲劳寿命预测方法

1．2．2 疲劳软件的发展

1．2．3 MATLAB软件的应用

1．3 课题研究设想与内容

第2章 系统功能分析

2．1 整体需求分析

2．2 各个主功能模块分析

2．2．1 疲劳裂纹扩展速率曲线拟合模块

2．2．2 恒幅载荷下疲劳裂纹扩展寿命预测模块

2．2．3 损伤容限设计模块

2．2．4 变幅载荷下疲劳裂纹扩展寿命预测模块

2．3 辅助功能模块分析

2．4 本章小结

第3章 疲劳裂纹扩展速率曲线拟合

3．1 引言

3．2 疲劳裂纹扩展速率试验中试样基本形式

3．3 疲劳裂纹扩展速率试验数据处理

3．3．1 疲劳裂纹扩展速率试验数据处理的一般过程

3．3．2 疲劳裂纹扩展速率试验数据处理的方法

3．3．3 四种参数拟合数据处理方法的特点比较

3．4 程序实现

3．4．1 常用裂纹扩展速率模型

3．4．2 疲劳裂纹扩展速率曲线拟合界面设计

3．5 应用举例

3．6 本章小结

第4章 恒幅载荷下疲劳裂纹扩展寿命预测

4．1 引言

4．2 应力强度因子

4．2．1 裂纹类型与应力强度因子的获取

4．2．2 几种常用的应力强度因子公式

4．2．3 应力强度因子模块的程序实现

4．2．4 应用算例

4．3 恒幅载荷下疲劳裂纹扩展寿命的估算

4．3．1 疲劳裂纹扩展速率的概念

4．3．2 影响疲劳裂纹扩展速率的因素

4．3．3 疲劳裂纹扩展速率模型的选择

4．3．4 恒幅载荷下疲劳裂纹扩展寿命预测模块的程序实现

4．3．5 应用算例

4．4 本章小结

第5章 单途径传力结构损伤容限设计

5．1 损伤容限设计概述

5．2 损伤容限设计分析及程序实现

5．2．1 裂纹扩展剩余寿命分析

5．2．2 剩余强度分析

5．2．3 损伤检查间隔的确定

5．2．4 界面设计

5．3 应用算例

5．4 本章小结

第6章 变幅载荷下疲劳裂纹扩展寿命预测

6．1 引言

6．2 变幅载荷的处理

6．2．1 变幅载荷的类型

6．2．2 变幅载荷下的疲劳寿命的估算方法

6．3 程序实现

6．3．1 变幅载荷下裂纹扩展寿命估算的基本流程

6．3．2 变幅载荷作用下疲劳裂纹扩展寿命模块的功能及具体实现

6．4 应用算例

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况

附录