基于扩展有限元法的表面裂纹平板拉伸极限载荷研究

摘要

经典断裂力学理论和成熟的设计规范都是基于二维断裂理论的,大部分实际裂纹问题的裂纹尖端附近的应力场是三维应力场,三维应力下的约束情况对材料的断裂行为有显著的影响.首先建立CT试样的有限元模型,通过模拟车钩铸造E级钢的断裂韧性试验来验证扩展有限元模型的准确性.然后,开展了不同厚度的表面裂纹平板拉伸载荷下的三维扩展有限元模拟,将利用扩展有限元方法得到的拉伸极限载荷与传统的应力强度因子达到断裂韧性KI C时的极限载荷进行了对比.并结合裂纹前缘塑性区尺寸的大小,对厚板情况下两种方法获得的结果差异较大的原因进行了讨论.结果表明:使用扩展有限元方法能够很好得对CT试样的断裂行为进行模拟.由穿透型裂纹CT试样获得的断裂韧性KIC计算出的极限载荷在三维裂纹情况下偏保守.由断裂韧性计算出的最大载荷与扩展有限元方法得到的最大载荷之间的差异随着板厚度的增加而增大,在计算厚板表面裂纹的极限载荷时必须考虑裂纹的三维约束效应.