喷丸残余应力场及三维次表面裂纹应力强度因子求解

摘要

喷丸强化工艺作为表面处理的主要手段之一,能显著改善材料的疲劳性能,已经广泛地应用于航空航天等领域。喷丸强化的主要机制在于引入了表面残余应力场,其对疲劳源萌生位置及疲劳裂纹扩展速率都有着重要影响。因此,定量得到喷丸后的残余应力场以及喷丸后裂纹应力强度因子和疲劳寿命,对喷丸工艺的控制以及应用都有着显著意义。
　　本文首先针对多种材料体系,评估了经验方程、解析模型以及所提出的单弹丸与多弹丸冲击结合的有限元模型等五种方法对喷丸残余应力场四个特征参量的预测能力。与已有文献中的实验数据比较,结果表明:Yao的经验方程适用于40Cr钢和其他与40Cr钢性能相近或相似的钢材料;Wang的经验方程可适用于多种金属材料;解析方法更适用于预测强度和硬化能力适中的材料。单弹丸模型计算弹痕直径和多弹丸模型计算残余应力场的有限元模型可有效预测多种材料体系和覆盖率的喷丸残余应力场。同时,工程中确定了喷丸条件和靶材性能后,对喷丸残余应力场的预测往往需要这五种方案中的几种结合。
　　为了研究裂纹萌生于次表面时,残余应力场对次表面裂纹应力强度因子的影响,本文基于三维权函数理论,将次表面裂纹体处理为三维内埋椭圆裂纹,并将其分解为基本片为共线中心裂纹和弹簧片为偏心裂纹的两组片条,得到了次表面裂纹的三维权函数。
　　在已知喷丸引入的残余应力场基础上,利用三维次表面内埋椭圆裂纹的权函数,得到了40Cr钢在一定喷丸条件下,裂纹萌生于次表面时的三维椭圆裂纹的应力强度因子。与裂纹萌生于表面时的三维应力强度因子的解比较,在残余应力场的影响下,裂纹萌生于次表面时的应力强度因子在数值上要小于表面裂纹的应力强度因子,即残余应力场对萌生于材料表面的裂纹扩展速率的影响更为明显。次表面裂纹靠近有限边界的前缘对应力变化以及距离边界的尺寸的变化更为敏感。

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第一章 绪论

1.1课题背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究的主要内容

第二章 喷丸残余应力场预测

2.1经验方程

2.2解析方法

2.3有限元模型

2.4五种方法预测结果及分析

2.5本章小结

第三章 三维次表面裂纹权函数求解

3.1二维权函数基本理论

3.2三维次表面裂纹权函数法分析

3.3片条裂纹权函数求解

3.4本章小结

第四章 40Cr钢喷丸后三维次表面裂纹应力强度因子

4.1三维次表面裂纹应力强度因子分析

4.2三维次表面应力强度因子验证

4.3 40Cr钢喷丸后三维次表面裂纹应力强度因子求解

4.4本章小结

第五章 总结和展望

5.1主要结论

5.2研究与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文