疲勞裂紋擴展研究及在裝載機橫梁壽命估算中的應用.pdf

1、結構和機械的疲勞是一個十分復雜的問題，疲勞研究是一個存在大量經(jīng)驗性規(guī)律和相互矛盾觀點的研究領域。因為影響材料疲勞強度和壽命的因素很多，而且絕大多數(shù)影響因素目前還無法很好地從物理模型及數(shù)學模型上給予合理的定量描述，加之試驗條件與實際應用條件之間存在較大差異，因此盡管研究已積累了大量理論成果與試驗數(shù)據(jù)，仍然無法對疲勞強度和壽命問題做出比較通用而且比較準確的預測和分析。一方面，實際工程應用在疲勞研究指導下采取相關措施確實能有效防止疲勞破壞，但

2、另一方面，使用的指導方針對不同應用甚至同樣應用卻仍然無法阻止疲勞破壞案例的發(fā)生。這說明疲勞問題不論從理論上還是在實踐中都沒有完全解決。隨著現(xiàn)代社會發(fā)展多樣性和節(jié)奏加快的需求，疲勞問題越來越成為國內(nèi)外學術界和產(chǎn)業(yè)界關注的重點。本文研究了工程機械構件的疲勞問題。工程機械是人類社會應用廣泛的重要工具之一，隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，對工程機械結構提出了越來越高的要求，不僅要求有較高的承載力，減少原材料的使用，還要求結構有較高的疲勞壽命。因此，世界

3、上發(fā)達國家都極為重視并開展工程機械強度評定、疲勞壽命估算和疲勞強度設計等方面的研究。利用現(xiàn)有理論進行構件疲勞強度分析、破壞預防和計算剩余壽命，常常與構件的具體形貌以及所處工況環(huán)境密切相關，計算分析的思路及使用的具體方法也相差很大，因而非常有必要對實際工程構件的疲勞問題進行研究。
　　 本文以實際工程機械構件疲勞破壞為背景開展構件疲勞壽命研究，主要以疲勞裂紋擴展理論為基礎，研究疲勞裂紋擴展的宏觀機理，提出疲勞裂紋擴展的改進公式，從

4、有利于實際操作出發(fā)對公式中重要物理量進行研究，并提出了相應的計算公式；本論文結合實際工程構件的工作循環(huán)進行有限元模擬，對構件各種工況下的力學場量進行分析，得出疲勞壽命研究所需的應力分布載荷譜；本文提出規(guī)范化的疲勞分析技術路線，在分析中分別采用目前比較流行的理論公式以及本文建立的公式對具體工程構件進行疲勞壽命分析，并對結果進行對比比較。本文還針對影響疲勞裂紋擴展因素多樣復雜的特點，對構件疲勞壽命進行優(yōu)化設計，建立計算機神經(jīng)網(wǎng)絡對疲勞壽命進

5、行評估分析。具體說來，本文工作結果表現(xiàn)為以下幾個方面：總結分析了疲勞理論，斷裂力學理論和損傷力學理論等各種歷史研究及當代研究中，適用于工程機械構件應用的研究成果，包括關于疲勞裂紋產(chǎn)生、擴展的理論模型、機理、各種判據(jù)。將影響疲勞裂紋擴展的各種因素進行分類篩選，找出與本文研究密切相關的因素，為后面的研究奠定力學理論基礎。重點研究了疲勞裂紋擴展的機理及其擴展公式。對承受動荷載的結構構件，在荷載大小遠低于材料屈服強度甚至是疲勞極限的條件下仍能發(fā)

6、生屈服乃至破壞，以往的研究對此類現(xiàn)象的機理沒有作出直觀易懂的解釋。簽于此，本文提出疲勞裂紋擴展的宏觀擴展機理，即將動荷載的慣性效應產(chǎn)生的應力強度因子附加到構件的受載上去，也就是說，雖然發(fā)生疲勞破壞的構件承受的動荷載在瞬時力的大小上遠遠小于構件材料的屈服強度，但由于動荷載的慣性作用，構件上實際承受的荷載大小很可能超過其疲勞相關的承載能力而發(fā)生屈服并產(chǎn)生裂紋擴展。疲勞裂紋擴展的改進公式是根據(jù)所提出的疲勞機理以及目前疲勞裂紋擴展理論應用最廣泛

7、的判據(jù)提出的。裂紋擴展有兩個重要的關節(jié)點，分別是裂紋擴展門檻值與材料斷裂韌度。本文的判據(jù)分別是裂紋擴展實際驅(qū)動力大于裂紋門檻值時，裂紋就開始擴展。裂紋擴展實際驅(qū)動力大于材料的斷裂韌度時，材料或構件就斷裂，在此點之后就不存在裂紋的擴展問題，而在此值之前裂紋一直是按某一大小穩(wěn)定擴展。本文在這兩個判據(jù)的基礎上，提出改進的疲勞裂紋擴展公式。改進公式完全由裂紋驅(qū)動力、裂紋擴展阻力和裂紋形態(tài)特征表示的，突出了簡單易懂的物理意義和應用方便的特點，而且

8、該公式所表示的曲線涵蓋了整個裂紋擴展全過程，包含了影響裂紋擴展的所有重要因素。
　　 本文對改進公式中的裂紋擴展門檻值和材料的斷裂韌度分別進行了研究。對于裂紋擴展門檻值，根據(jù)斷裂力學中裂紋擴展裂尖中應力分布和裂尖處的塑性區(qū)的大小以及疲勞擴展的疲勞極限圖，提出了用常規(guī)材料實驗性能參數(shù)，如屈服強度、泊松比、彈性模量和加載參數(shù)應力比表示的裂紋擴展門檻值估算公式。而對材料的斷裂韌度，則根據(jù)其標準試驗的曲線，經(jīng)簡化提出了用材料性能參數(shù)和幾

9、何尺寸表示的估算公式。對兩個公式分別進行了實例計算驗證，其誤差在工程允許的范圍之內(nèi)。為了驗證所提出的公式以及其公式用于壽命計算的效果，本文以實際工程機械構件破壞為背景，進行了構件的壽命計算分析。在這項研究中，首先對機械構件在其工作循環(huán)周期內(nèi)的承載工況進行分析，在此基礎上，采用有限元進行數(shù)值模擬，得出構件的應力應變分布場量，建立了進行疲勞壽命研究所需的應力分布載荷譜。然后對構件進行疲勞壽命分析。由于疲勞壽命分析只是強度分析中的一個類別，在

10、實際應用中如何區(qū)分判定并最終導入執(zhí)行，必須遵循明確清晰的步驟，本文建立了如下技術路徑。首先應判定是否屬于疲勞問題，不是則歸入其他強度問題，如果是則應選擇疲勞壽命計算的方法，方法確定后再對構件進行疲勞強度校核。針對本文構件，通過分析表明發(fā)生的是疲勞累計損傷破壞，因而分別利用線性累積損傷理論、非線性損傷理論和有限元疲勞壽命模擬進行壽命計算，將三種方法的計算結果進行比較后發(fā)現(xiàn)，本構件完全可以滿足工程設計的壽命要求。但現(xiàn)實構件卻在使用期限非常短

11、時就發(fā)生斷裂。針對該情況，利用斷裂力學的逆向分析思維，假設初始裂紋大小，采用最常使用的有裂紋估算公式和本文提出的裂紋擴展公式，分別估算可能隱含初始裂紋構件的壽命。通過與實際斷裂情況比較表明，本文提出公式的結果與現(xiàn)有公式的結果相差不大，但本文提出的公式能更好地反映裂紋擴展的實際特點，是一個非常緩慢發(fā)展的過程。
　　 本文對影響裂紋擴展的各個因素進行了優(yōu)化研究，并對各因素的重要程度進行了排序。結果表明，裂紋起裂角、初始裂紋大小和應力

12、比是最重要的影響因素，而板厚等幾何形狀影響并不是特別重要。而且裂紋起裂角對疲勞裂紋擴展壽命的影響大于初始裂紋，這與以往研究中的認識是明顯不同的。結果還表明，若對裂紋擴展曲線兩個判據(jù)點的重要程度進行比較，門檻值的影響要遠遠大于材料斷裂韌度，這也是以往研究中沒有提到的。另外，本文還建立了神經(jīng)網(wǎng)絡模型對疲勞壽命進行人工智能預測。通過實施該項技術模擬，可以不用考慮計算公式，而直接輸入影響裂紋擴展的各個具體因素數(shù)值，而得到構件的壽命估算。這些新的