基于擴(kuò)展有限元法的復(fù)合(Ⅰ-Ⅱ)加載條件下CTS疲勞裂紋擴(kuò)展行為研究.pdf

1、復(fù)合型疲勞裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致的斷裂是機(jī)械和化工構(gòu)件的主要斷裂形式之一,由于其在實(shí)際結(jié)構(gòu)中存在的廣泛性和理論分析時(shí)的復(fù)雜性而一直受到相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注,而 I型(張開(kāi)型)和 II型(滑開(kāi)型)并存的復(fù)合型裂紋是導(dǎo)致疲勞斷裂的主要原因,因此研究I-II復(fù)合型疲勞裂紋的擴(kuò)展機(jī)理對(duì)構(gòu)件剩余壽命的精確預(yù)測(cè)具有重大理論和實(shí)際意義。本文詳細(xì)介紹了近幾年新興的擴(kuò)展有限元數(shù)值方法,并應(yīng)用擴(kuò)展有限元法理論以典型壓力容器常用鋼Q345R為材料,在有限元分析軟件AB

2、AQUS中對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸剪切試樣(CTS)進(jìn)行I-II復(fù)合型疲勞裂紋擴(kuò)展模擬分析,并與相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,具體如下:
　　首先,闡述了擴(kuò)展有限元法的基本思想和原理,介紹了擴(kuò)展有限元法在處理裂紋問(wèn)題時(shí)的思路和內(nèi)容;推導(dǎo)了擴(kuò)展有限元法解決裂紋擴(kuò)展問(wèn)題時(shí)的位移場(chǎng)函數(shù)、控制方程、離散方程、形函數(shù)偏導(dǎo)和數(shù)值積分等的表達(dá)式;闡述了基于擴(kuò)展有限元法的單位分解思想以保證計(jì)算收斂與精度,同時(shí)介紹了預(yù)設(shè)虛節(jié)點(diǎn)法以在ABAQUS軟件上實(shí)現(xiàn)斷裂分析

3、的擴(kuò)展有限元法;給出了水平集法以跟蹤裂紋生長(zhǎng),更新了水平集法以提高追蹤裂紋擴(kuò)展的準(zhǔn)確性;詳細(xì)介紹了基于擴(kuò)展有限元法計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子的直接法原理及具體實(shí)現(xiàn)方法,即通過(guò)推導(dǎo)離散位移表達(dá)式和虛功支配方程來(lái)計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子的方法。
　　其次,選取了不同厚度與不同加載角度的CTS試樣進(jìn)行I-II復(fù)合型多步疲勞加載試驗(yàn),得出完整的裂紋擴(kuò)展路徑,計(jì)算出實(shí)際裂紋擴(kuò)展速率。分別對(duì)不同厚度不同加載角度的對(duì)應(yīng)CTS試樣進(jìn)行擴(kuò)展有限元數(shù)值模擬計(jì)算和分析,

4、得到裂紋擴(kuò)展路徑的模擬數(shù)值,同時(shí)計(jì)算對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子,從而計(jì)算出裂紋擴(kuò)展速率。分析厚度和加載角度對(duì)I-II復(fù)合型疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響,得出裂紋擴(kuò)展路徑偏斜程度主要受加載角度的影響,受試樣厚度影響很小;加載角度改變后,裂紋擴(kuò)展速率也不同,而且與裂紋擴(kuò)展路徑變化密切相關(guān)。
　　最后,通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果和擴(kuò)展有限元模擬結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了擴(kuò)展有限元法解決I-II復(fù)合型疲勞裂紋擴(kuò)展問(wèn)題的可靠性,證明利用擴(kuò)展有限元法分析復(fù)合型疲勞裂紋擴(kuò)展問(wèn)題具