含曲線裂紋結構的三維斷裂與疲勞裂紋擴展模擬研究.pdf

1、損傷容限設計思想是公認的保障飛機安全性和經(jīng)濟性的科學思想。損傷容限設計以斷裂力學為基礎，以含裂紋結構的剩余強度評估和疲勞裂紋擴展壽命預測為兩大核心任務。當前損傷容限設計所依據(jù)的理論是傳統(tǒng)的二維斷裂力學理論，所依賴的技術平臺是商用CAD/CAE軟件平臺。傳統(tǒng)二維理論和現(xiàn)有商用軟件的局限性導致當前損傷容限設計面臨著兩大困難：一是對于非標準裂紋結構的評定缺乏相應的理論依據(jù)，因此不得不做最保守的評估；二是含裂紋結構的CAE模型建立流程繁瑣，直接

2、導致剩余強度分析工作量巨大和疲勞裂紋擴展模擬預測難以實現(xiàn)。針對這兩大問題，本文分別從理論和技術方面展開了系統(tǒng)深入的研究，主要取得了以下進展：
　　 (1)建立了各種典型三維裂紋的CAE子模型數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了基于幾何模型和有限元模型的三維裂紋自動建模技術。在此基礎上，建立了參數(shù)化后處理模塊，從而實現(xiàn)了從建模到后處理的全程序控制，為實現(xiàn)復雜結構的剩余強度評定和疲勞裂紋擴展模擬提供了技術保障。
　　 (2)發(fā)展了基于三維約束因子

3、的等效厚度的概念。此概念將曲線裂紋線上的點與某一厚度的穿透直裂紋板中面上的裂紋尖端點建立了一種等價關系，進而可以將基于穿透直裂紋板得到的材料數(shù)據(jù)合理的應用于曲線裂紋，解決曲線裂紋的剩余強度評估、裂紋張開應力計算和裂紋擴展壽命預測等關鍵問題。這一概念為損傷容限分析中從實驗室標準試件到實際復雜結構之間的鴻溝建立了一座橋梁。
　　 (3)以等效厚度概念和三維斷裂理論為基礎，建立了非穿透曲線裂紋試件的雙參數(shù)斷裂準則，將非穿透曲線裂紋試件

4、與穿透直裂紋試件的斷裂評估統(tǒng)一起來，可以廣泛應用于各種非穿透曲線裂紋試件斷裂評估，為復雜三維裂紋結構的剩余強度評定奠定了理論基礎。
　　 (4)以等效厚度和條帶屈服模型為基礎，建立了非穿透曲線裂紋閉合模型。此模型能夠準確計算非穿透曲線裂紋前沿張開應力和有效應力強度因子幅度，進而可以應用于裂紋擴展壽命以及形狀演化模擬預測。
　　 (5)通過對比三種譜載疲勞裂紋擴展塑性區(qū)模型(Wheeler模型、Willenborg/Cha

5、ng模型和等效損傷模型)中遲滯參數(shù)在平面應力、平面應變和三維約束狀態(tài)下的值，發(fā)現(xiàn)裂尖三維應力約束狀態(tài)對塑性區(qū)尺寸的影響會進一步影響到模型中對于超載遲滯和反向超載加速的評估和裂紋擴展速率的預測。在應用塑性區(qū)模型對譜載疲勞裂紋擴展進行預測時，必須準確計算裂尖三維約束因子，進而得到精確地塑性區(qū)尺寸和裂紋擴展速率。
　　 在此基礎上，本文將提出的相關方法、技術和模型在具體的工程結構損傷容限分析中做了應用。結果表明，本文的研究結果為當前損