CT試樣疲勞裂紋擴(kuò)展特性及K斷裂參量的數(shù)值模擬.pdf

1、在機(jī)械、石油化工和土木等領(lǐng)域中,很多工程構(gòu)件和壓力容器經(jīng)常受到周期性載荷的作用,導(dǎo)致疲勞裂紋的啟裂和擴(kuò)展,最終造成災(zāi)難性的后果,由此可見(jiàn),對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。而裂紋形貌的變化直接影響到疲勞裂紋的擴(kuò)展速率,進(jìn)而會(huì)影響到壓力容器和工程構(gòu)件剩余壽命的精確評(píng)估,同時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度因子又是一個(gè)重要的斷裂力學(xué)參量,故文中采用壓力容器常用材料Q345R鋼,對(duì)緊湊拉伸試樣(CT試樣)疲勞裂紋的擴(kuò)展形貌以及裂紋尖端處的應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)

2、行研究分析,具體如下:
　　 利用相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件,對(duì)常幅載荷下的Ⅰ型疲勞裂紋形貌進(jìn)行橢圓方程擬合,并對(duì)裂紋形貌的隧道效應(yīng)(隧道深度和表面角)進(jìn)行分析,結(jié)果表明:在初始裂紋擴(kuò)展階段,橢圓方程能夠合理描述裂紋形貌,隧道深度逐漸增大,表面角急劇降低;在穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段,裂紋具有以相似半橢圓形貌向前擴(kuò)展的特性,隨著擴(kuò)展行為的進(jìn)行半橢圓的長(zhǎng)短軸不斷發(fā)生變化,隧道深度和表面角均逐漸趨于穩(wěn)定。此外,采用高斯方程對(duì)單個(gè)拉伸過(guò)載下的疲勞裂紋形貌

3、進(jìn)行了擬合分析,取得了較好的擬合效果,表明單個(gè)拉伸過(guò)載下的疲勞裂紋形貌具有與射箭用的“彎弓”型相似的特性。
　　 使用有限元分析軟件對(duì)二維CT試樣在不同裂紋長(zhǎng)度和外載荷條件下的應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了計(jì)算與分析。結(jié)果表明:裂紋長(zhǎng)度相同時(shí),隨著載荷的變化,應(yīng)力強(qiáng)度因子K與載荷成線性關(guān)系;施加的載荷相同時(shí),隨著裂紋長(zhǎng)度的增加,應(yīng)力強(qiáng)度因子K增加,且增速越來(lái)越快。
　　 在三維狀態(tài)和平面應(yīng)變狀態(tài)下,使用有限元分析軟件計(jì)算CT試樣直線

4、裂紋形貌的應(yīng)力強(qiáng)度因子,結(jié)果表明:在試樣厚度的中間區(qū)域中,三維狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于平面應(yīng)變狀態(tài)時(shí)的結(jié)果。之后對(duì)實(shí)際曲線裂紋和平均裂紋的直線裂紋形貌的應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行有限元計(jì)算,結(jié)果表明:試樣厚度中間區(qū)域的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍小于表面層區(qū)域的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍;平均裂紋的直線裂紋形貌應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍沿試樣厚度上的分布規(guī)律與實(shí)際裂紋形貌恰好相反。另外,對(duì)CT試樣缺口根部初始直線裂紋形貌的啟裂規(guī)律進(jìn)行研究,得到了CT試樣厚度方向上中間區(qū)域比表面