疲劳裂纹闭合效应数值模拟方法研究

摘要

使用基于塑性流动理论的弹塑性有限元法模拟了平面应力状态铝合金中心裂纹板在等幅循环载荷作用下的疲劳裂纹扩展过程,对塑性变形导致的裂纹闭合效应进行了分析.分析中假设材料具有双线性弹塑性行为和线性随动强化规律,考虑了裂纹面的弹塑性接触和几何非线性变形,通过逐步释放裂尖结点来模拟裂纹扩展.采取编程手段实现了自动编写ABAQUS输入文件的功能,得以对很长裂纹扩展长度的闭合效应进行自动模拟,基本实现了分析过程无需人工介入和分析结果自动按需要输出.分析中,探讨了裂纹扩展的模拟方法,包括对结点粘连、结点释放和结点接触的处理以及结点释放时机等.考察了裂纹尖端周围网格的单元尺度、裂纹长度和平均应力对裂纹张开/闭合应力水平的影响.通过模拟和计算,给出了三种网格和不同应力比下的裂纹张开、闭合应力关于裂纹长度的变化曲线.模拟的结果显示:首先,随着裂纹长度的增大,张开应力水平呈先爬升再缓慢下降的趋势.其次,网格细化程度对张开、张开应力的最大值没有明显影响.第三,在循环最大应力不变的情况下,应力比增大会导致裂纹张开/闭合应力水平提高.最后,在总结工作的基础上,对于今后的研究思路和研究方向提出了建议.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1线弹性断裂力学与疲劳裂纹扩展

1.2裂纹闭合效应

1.3塑性致闭数值模拟问题的研究现状

1.3.1裂纹闭合的接触方式

1.3.2平面应力和平面应变状态的区别

1.3.3几何特性的影响

1.3.4变幅加载的影响

1.3.5小结

1.4本文的主要工作

第二章非线性有限元分析的理论基础

2.1材料非线性问题的有限元分析

2.1.1屈服准则

2.1.2塑性强化模型

2.1.3弹塑性本构关系和弹塑性矩阵

2.2几何非线性问题的有限元分析

2.3非线性静力平衡方程的求解

2.3.1 Newton-Raphson方法

2.3.2切线刚度法

2.3.3初始刚度法

第三章疲劳裂纹闭合的有限元模型和分析方法

3.1分析软件介绍

3.2有限元计算模型的建立

3.3基于接触问题的分析方法

第四章数值模拟的结果和分析

4.1网格精细程度对闭合的影响

4.2裂纹扩展长度对闭合效应的影响

4.3应力比对闭合的影响

总结和展望

致谢

参考文献

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