复合型交叉双裂纹疲劳扩展的研究

摘要

裂纹的疲劳扩展是结构失效的主要原因之一。结构在使用过程中由于各种原因常常出现多个裂纹,这些裂纹之间的相互作用给多裂纹问题的研究带来了很大的难度,因此,研究多裂纹的相互作用以及疲劳扩展规律具有非常重要的意义。本文利用有限元数值模拟和实验方法,研究了材料Q345R中复合型交叉双裂纹的扩展规律和机理。主要工作和结论如下:
　　首先,论文对预制有Ⅰ+Ⅱ复合型单裂纹和交叉型双裂纹试件进行了疲劳拉伸试验。结果表明:对于Ⅰ+Ⅱ复合型单裂纹,新裂纹从预制裂纹尖端启裂后,将沿着与载荷垂直的方向扩展,裂尖位置处的Ⅰ型应力强度因子△KⅠ逐渐增加,最终裂纹由Ⅰ+Ⅱ复合型转型为Ⅰ型继续向前扩展。对于复合型交叉双裂纹,新裂纹沿Ⅰ型应力强度因子变化幅△KⅠ较大的预制裂纹一端启裂,启裂后的新裂纹也沿着与载荷垂直的方向扩展。扩展裂纹裂尖Ⅰ型应力强度因子变化幅△KⅠ随预制裂纹和加载方向的夹角β增大而增大,即预制裂纹和加载方向的夹角β越大,裂纹越容易启裂,扩展速率越快。
　　其次,论文研究了长裂纹和短裂纹之间的相互作用。研究结果表明:当长裂纹长度和初始倾角(45°)不变时,在本论文长短裂纹组态下,短裂纹对长裂纹扩展影响不大;短裂纹尖端裂尖Ⅰ型裂纹应力强度因子变化幅△KⅠ随长裂纹扩展而减小,Ⅱ型裂纹应力强度因子变化幅△KⅡ不断增加,短裂纹的裂纹型式发生改变,由复合型裂纹转变为Ⅱ型裂纹。
　　第三,论文研究了Ⅰ+Ⅱ复合型单裂纹和交叉型双裂纹的疲劳扩展速率。结果表明:在恒幅载荷作用下,复合型交叉双裂纹在扩展过程中由扩展裂纹的Ⅰ型成分主导,扩展裂纹的扩展速率与Ⅰ型应力强度因子之间的关系满足Paris方程,与复合型单裂纹的扩展速率方程基本一致。
　　最后,论文对试件进行了金相和断口分析。金相分析表明:复合型单裂纹及交叉双裂纹在Q345R材料中均为穿晶扩展,在扩展过程中无分支裂纹产生。断口分析发现:裂纹在不同扩展阶段的断口微观形貌有较大差异。在源区有许多小台阶,扩展区存在明显的疲劳辉纹,且随着裂纹扩展,疲劳辉纹间距变大,在最后断裂区有明显的韧窝,说明材料具有较好的塑性。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 前人关于裂纹的研究成果

1．2．1 复合型单裂纹研究综述

1．2．2 多裂纹研究综述

1．3 本论文研究的主要内容

第二章 复合型裂纹疲劳扩展实验

2．1 试件材料与尺寸

2．2 实验设备与实验步骤

2．2．1 实验设备

2．2．2 实验参数

2．2．3 实验步骤

2．3 试验数据处理

2．4 试验结果与分析

2．5 本章小结

第三章 Ⅰ+Ⅱ复合型单裂纹疲劳扩展的数值模拟

3．1 ANSYS有限元软件介绍

3．2 单元选择与模型建立

3．2．1 单元选择

3．2．2 模型建立

3．2．3 确定载荷

3．2．4 模型验证

3．3 试验结果与分析

3．3．1 裂纹尖端应力分布云图

3．3．2 裂纹尖端应力强度因子

3．3．3 疲劳裂纹扩展速率

3．4 本章小结

第四章 复合型交叉双裂纹疲劳扩展的数值模拟

4．1 单元选择与模型建立

4．2 模拟结果与分析

4．2．1 交叉裂纹尖端应力分析云图

4．2．2 交叉裂纹尖端应力强度因子计算

4．2．3 β为45°时长裂纹对短裂纹的影响

4．2．4 β为45°时短裂纹对长裂纹的影响

4．2．5 交叉裂纹扩展速率

4．3 本章小结

第五章 复合型裂纹断口和金相分析

5．1 复合型裂纹的断口分析

5．1．1 试验制备与试验设备

5．1．2 试样的宏观断口分析

5．1．3 试样的微观断口分析

5．2 复合型裂纹的金相分析

5．2．1 试验试件

5．2．2 试验步骤

5．2．3 结果分析

5．3 本章小结

第六章 结论与建议

6．1 本论文的主要结论

6．2 对后续研究的建议

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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