基于连续累积损伤的疲劳启裂和裂纹扩展的统一模型

摘要

工程构件的疲劳失效过程通常被分为疲劳启裂和裂纹扩展两个阶段。在现行的疲劳分析框架下，主要采用连续介质力学方法和断裂力学方法，分别分析疲劳启裂寿命和扩展寿命。但从损伤力学角度出发，两个阶段不是两个彼此独立的阶段，而是同属于一个连续的疲劳失效过程。因此，基于疲劳损伤理论，建立统一疲劳启裂和裂纹扩展两个阶段的缺口件全寿命预测方法具有重要的理论价值和现实的工程意义。 基于“扩展裂纹”动态裂纹扩展方式和裂纹尖端的疲劳损伤的连续累积过程，确立了疲劳损伤累积过程与裂纹扩展速率之间的数学关系，提出了一个新的、适合描述常幅和变幅加载的“基于连续累积损伤的疲劳启裂和裂纹扩展统一模型”。提出的统一模型构筑了疲劳启裂和裂纹扩展之间的桥梁。克服了现有的模型不能很好地考虑加载历史以及残余应力场和裂纹表面接触之间的交互作用对裂纹扩展影响的缺陷。 结合能描述材料非Masing特性的Armstrong-Frederick（A-F）类循环塑性理论和多轴疲劳损伤理论，分别提出了一种基于有限元法的缺口件疲劳寿命预测方法和一种预测非Masing缺口件的疲劳寿命的多轴局部应力应变近似方法。第一种方法考虑了局部塑性变形对缺口根部应力状态的影响。第二种方法适合描述小塑性变形缺口件的多轴应力状态。通过16MnR钢的缺口疲劳试验验证，表明两种方法都能较好地预测拉扭复合加载下的缺口件的疲劳寿命。 运用提出的统一模型，预测了缺口件在常幅、高低幅顺序加载和过载下的疲劳启裂寿命、裂纹扩展速率和疲劳全寿命。通过裂纹扩展试验结果验证，表明提出的统一模型不仅能较好地描述缺口件的疲劳启裂和裂纹扩展两个阶段，而且能定量地预测过载或高低幅顺序加载下的裂纹扩展“瞬间加速”和“延时延迟”现象。基于16MnR缺口件的二维有限元数值分析，研究了裂纹扩展过程中裂纹尖端的应力和疲劳累积损伤的演化历史，结果表明：缺口塑性区和裂纹表面接触是缺口短裂纹现象的两个重要影响因素，残余应力场、裂纹表面接触和裂纹本身延伸三者之间的交互机制决定着变幅加载下的疲劳裂纹扩展过程。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录、符号说明

声明

第一章 绪 论

1.1背景和意义

1.2疲劳启裂寿命预测方法研究现状

1.2.1循环塑性理论

1.2.2分析多轴应力状态的有限元法

1.2.3分析多轴应力状态的近似方法

1.2.4多轴疲劳损伤理论

1.3疲劳裂纹扩展预测方法研究现状

1.3.1 常幅加载下长裂纹扩展模型

1.3.2常幅加载下短裂纹扩展模型

1.3.3变幅加载下裂纹扩展交互现象及机制

1.3.4变幅加载下裂纹扩展模型

1.4统一疲劳启裂和裂纹扩展的模型的研究现状

1.5本文的主要研究内容

第二章疲劳启裂和裂纹扩展的统一模型

2.1 引言

2.2静态裂纹下的基于裂纹连续成核的疲劳启裂和裂纹扩展统一模型

2.3扩展裂纹下的基于连续累积损伤的疲劳启裂和裂纹扩展统一模型

2.3.1疲劳裂纹动态扩展方式

2.3.2疲劳裂纹扩展模型的基本假设

2.3.3疲劳累积损伤过程

2.3.4基于连续累积损伤的裂纹扩展模型

2.4 小结

第三章 缺口件多轴疲劳启裂寿命预测

3.1 引言

3.2缺口件疲劳试验

3.2.1缺口棒状试样

3.2.2试验方法和结果

3.3基于有限元法的缺口件疲劳启裂寿命预测方法

3.3.1有限元模型

3.3.2循环塑性模型

3.3.3多轴疲劳损伤模型

3.3.4应力应变状态及分布

3.3.5疲劳损伤分布

3.3.6疲劳启裂寿命预测

3.4非Masing缺口件的多轴局部应力应变近似法

3.4.1增量本构关系

3.4.2增量Neuber近似法

3.4.3缺口根部应力应变分析

3.4.4疲劳启裂寿命预测

3.5讨论

3.6小结

第四章 常幅加载下缺口件全寿命预测方法研究

4.1 前言

4.2常幅加载下缺口件应力分析

4.2.1紧凑拉伸试样及加载条件

4.2.2裂纹扩展有限元模型

4.2.3裂纹尖端应力应变历史

4.3常幅加载下疲劳累积损伤演化分析

4.4常幅加载下缺口件全寿命分析

4.4.1裂纹扩展速率预测

4.4.2扩展寿命预测

4.4.3启裂寿命预测

4.4.4全寿命预测

4.5讨论

4.5.1 模型的简化

4.5.2裂纹扩展方式

4.5.3缺口“短裂纹”现象影响因素

4.6小结

第五章 变幅加载下缺口件全寿命预测方法研究

5.1 前言

5.2变幅加载下缺口件应力分析

5.2.1变幅加载条件

5.2.2裂纹扩展有限元模型

5.2.3 高低幅顺序加载下的应力应变历史

5.2.4 过载下的应力应变历史

5.3高低幅顺序加载下的疲劳累积损伤演化分析

5.4过载下的疲劳累积损伤演化分析

5.5变幅加载下缺口件全寿命分析

5.5.1 高低幅顺序加载下的裂纹扩展速率预测

5.5.2过载下的裂纹扩展速率预测

5.5.3扩展寿命预测

5.5.4疲劳启裂寿命预测

5.5.5缺口件全寿命预测

5.6变幅加载下疲劳裂纹扩展交互机制

5.6.1残余应力机制

5.6.2裂纹表面接触机制

5.7统一模型的特点

5.8小结

第六章 结论

6.1论文的主要结论

6.2论文的创新成果

6.3后续有待开展的研究工作

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文