疲勞裂紋擴(kuò)展形貌的演化規(guī)律及其對(duì)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(lái)巨大的人員和經(jīng)濟(jì)損失。作為研究疲勞裂紋相關(guān)問(wèn)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(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋的擴(kuò)展行為進(jìn)行預(yù)測(cè)，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(cè)精度，具有一定的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。本文對(duì)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(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展形貌的作用和影響，并在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了研究。本文的主要工作及研究成果如下：
　?。?）對(duì)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(duì)裂紋擴(kuò)展前沿的動(dòng)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(duì)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(guò)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。
　?。?）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(duì)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(guò)程進(jìn)行研究，獲得了試樣厚度、初始裂紋形貌、初始裂紋長(zhǎng)度等因素，對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)片狀疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的預(yù)測(cè)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(cè)方法，相對(duì)于僅依靠擴(kuò)展長(zhǎng)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(cè)方法，其預(yù)測(cè)精度進(jìn)一步提高，且更具有工程實(shí)用價(jià)值。
　　（3）對(duì)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(duì)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(guò)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(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展路徑的偏折規(guī)律，為精確預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)疲勞壽命提供了理論依據(jù)。
　?。?）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(cè)方法的研究。對(duì)在齒根不同位置萌生了裂紋的圓柱齒輪的疲勞斷裂過(guò)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(duì)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(duì)齒輪零件疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果的影響規(guī)律。
　　在分析和總結(jié)