疲勞裂紋擴(kuò)展形貌的演化規(guī)律及其對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響.pdf

1、機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂往往造成突發(fā)性安全事故，帶來巨大的人員和經(jīng)濟(jì)損失。作為研究疲勞裂紋相關(guān)問題的重要手段，疲勞裂紋擴(kuò)展的數(shù)值模擬方法能夠經(jīng)濟(jì)、高效、直觀地對機(jī)械結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋的擴(kuò)展行為進(jìn)行預(yù)測，一直受到相關(guān)研究者的重視。研究機(jī)械結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋擴(kuò)展形貌的演化規(guī)律，能夠進(jìn)一步提高機(jī)械零件的疲勞壽命預(yù)測精度，具有一定的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。本文對復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋擴(kuò)展的數(shù)值模擬方法進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上，利用理論研究、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)

2、證相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)研究了機(jī)械零件的局部結(jié)構(gòu)及邊界條件的變化對疲勞裂紋擴(kuò)展形貌的作用和影響，并在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的預(yù)測方法進(jìn)行了研究。本文的主要工作及研究成果如下：
　?。?）對復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋擴(kuò)展的三維數(shù)值模擬方法進(jìn)行了研究。建立了三維結(jié)構(gòu)模型中面狀疲勞裂紋擴(kuò)展行為的參數(shù)化模型，實(shí)現(xiàn)了有限元網(wǎng)格對裂紋擴(kuò)展前沿的動態(tài)追蹤。在上述研究工作的基礎(chǔ)上，發(fā)展了疲勞裂紋擴(kuò)展的數(shù)值模擬方法，實(shí)現(xiàn)了對一般邊界條件下，任意結(jié)構(gòu)形狀

3、的機(jī)械零件的疲勞斷裂過程的數(shù)值模擬，與保守估計(jì)法、形狀假定法等傳統(tǒng)的模擬方法相比，更具工程實(shí)用價(jià)值。
　　（2）研究了片狀疲勞裂紋擴(kuò)展形貌的演化規(guī)律及其影響因素。對多種厚度尺寸的三點(diǎn)彎曲試樣中片狀疲勞裂紋的擴(kuò)展過程進(jìn)行研究，獲得了試樣厚度、初始裂紋形貌、初始裂紋長度等因素，對片狀疲勞裂紋擴(kuò)展形貌演化的影響規(guī)律。研究得到了壽命積分路徑的選擇對結(jié)構(gòu)片狀疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的預(yù)測結(jié)果的影響規(guī)律。提出了依據(jù)片狀疲勞裂紋擴(kuò)展形貌設(shè)定壽命積分路徑

4、的結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測方法，相對于僅依靠擴(kuò)展長度和擴(kuò)展速度兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算的傳統(tǒng)預(yù)測方法，其預(yù)測精度進(jìn)一步提高，且更具有工程實(shí)用價(jià)值。
　?。?）對復(fù)合型疲勞裂紋擴(kuò)展路徑的偏折規(guī)律及其影響因素進(jìn)行了研究。對變工況三加載孔非標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試樣中，疲勞裂紋經(jīng)歷三次路徑偏折的擴(kuò)展過程進(jìn)行了研究。載荷作用方向的改變，一直被認(rèn)為是引起裂紋擴(kuò)展方向偏折的主要因素，研究結(jié)果表明，裂紋擴(kuò)展區(qū)試樣局部結(jié)構(gòu)的變化同樣是疲勞裂紋擴(kuò)展路徑產(chǎn)生偏折的

5、主要影響因素。進(jìn)一步研究得到了以上兩個(gè)因素對疲勞裂紋擴(kuò)展路徑的偏折規(guī)律，為精確預(yù)測結(jié)構(gòu)疲勞壽命提供了理論依據(jù)。
　　（4）基于三維疲勞裂紋擴(kuò)展模擬的機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞壽命的預(yù)測方法的研究。對在齒根不同位置萌生了裂紋的圓柱齒輪的疲勞斷裂過程進(jìn)行了模擬和研究，研究得到了疲勞裂紋在齒根處的具體萌生位置及初始裂紋傾角對輪齒斷裂形貌和齒輪零件疲勞壽命的影響規(guī)律。得到了壽命積分路徑的選擇對齒輪零件疲勞壽命預(yù)測結(jié)果的影響規(guī)律。
　　在分析和總結(jié)