薄壁結構響應特性有限元數值模擬和疲勞壽命預測方法研究.pdf

1、薄壁結構由于質量輕、承載性能優(yōu)良，被廣泛用于航空航天、船舶、汽車、壓力容器等領域。此類結構的應力和應變受幾何形狀、邊界條件等因素影響較大，除特殊情況外難以獲得解析解，因此薄壁結構的基礎理論和模擬方法一直是研究的熱點。本文針對薄壁結構響應特性數值模擬、穩(wěn)定性分析和疲勞壽命預測研究中存在的問題，進行了如下內容的研究：
　　1．薄壁結構響應特性有限元模擬及誤差修正方法研究
　　基于薄壁結構的控制方程和有限元離散原理，系統(tǒng)研究了包含

2、倒角、凸臺、孔洞等特征的曲面薄壁結構的有限元離散特點和建模方法。同時基于離散過程的理論推導，研究了有限尺寸曲面薄壁結構的離散誤差產生機理和計算應力的修正方法。以探針為對象，分析了曲面薄壁結構的屈曲載荷隨幾何尺寸和外形的變化規(guī)律，為結構穩(wěn)定性分析和優(yōu)化奠定了基礎。
　　2．薄壁結構基礎振動數值計算方法研究
　　基于連續(xù)體基礎振動原理和有限元實現過程，建立了求解薄壁結構簡諧基礎振動和沖擊問題的靜力等效載荷法。通過施加靜力等效節(jié)點

3、載荷將簡諧基礎振動問題轉化為基礎固定的簡諧響應問題，進而獲得結構響應的幅值和時間歷程，克服了現有方法的不足。
　　3．薄壁結構疲勞裂紋形成壽命預測及結果顯示方法研究
　　基于疲勞累積損傷理論，建立了準靜態(tài)和動態(tài)載荷作用下薄壁結構疲勞裂紋形成壽命的預測方法和有限元模擬及顯示流程。同時以探針為對象，基于四點雨流計數法和雙線性累積損傷準則，通過自編程序實現了薄壁結構疲勞壽命的自動預測和結果的圖形化顯示。
　　4．薄壁結構疲勞

4、裂紋擴展壽命理論模型和預測方法研究
　　通過現有疲勞裂紋擴展速率影響因素特點和試驗數據規(guī)律的研究，提出了描述試樣厚度、循環(huán)應力比和材料參數等對疲勞裂紋擴展速率影響的綜合影響系數模型。通過與Newman、Huang和Codrington模型對裂紋張開應力和有效應力強度因子范圍比預測結果的對比，驗證了模型的有效性。基于綜合影響系數模型和鈍化復銳理論開發(fā)了常幅和變幅載荷下疲勞裂紋擴展的通用模型，并通過試驗數據和現有模型的預測結果驗證了通

5、用模型的有效性。
　　5．薄壁結構疲勞裂紋擴展過程數值模擬方法研究
　　基于第4部分的理論模型，采用擴展有限元和水平集法建立了常幅和變幅載荷下疲勞裂紋擴展過程的擴展有限元模擬流程和矩陣更新算法，并通過現有試驗數據驗證了理論模型、擴展有限元模擬流程和求解算法的有效性。
　　6．基于ANSYS的薄壁結構數值仿真和疲勞壽命預測專用軟件開發(fā)
　　基于第1~5部分的研究成果，并以探針應用需求出發(fā)，開發(fā)了薄壁結構響應特性專用

6、仿真和疲勞壽命預測軟件。
　　本論文取得的主要創(chuàng)新成果如下：
　　1．提出了求解連續(xù)體簡諧基礎振動和沖擊問題的靜力等效載荷法
　　該方法避免了瞬態(tài)計算方法中存在剛體位移、算法穩(wěn)定性、模型規(guī)模等限制，以及反映譜法存在振形峰值組合規(guī)則的限制，可用于求解單點和多點非正弦（余弦）基礎振動、沖擊和瞬態(tài)響應等問題。
　　2．建立了反映材料特性、試樣尺寸、載荷特征等參數對疲勞裂紋擴展速率影響的綜合影響系數模型
　　該模型

7、顯式反映了材料特性、試樣尺寸、循環(huán)應力比等因素對裂紋張開比和有效應力強度因子范圍比及疲勞裂紋擴展速率的影響。通過代入試樣參數、試驗條件和材料參數可預估結構和試樣的疲勞特性，可為試驗設計、試樣選型和實際應用提供指導。
　　3．提出了常幅和變幅載荷下結構疲勞裂紋擴展過程的通用模型
　　該模型能有效且定量描述單峰過載、單峰低載、序列加載和譜載荷等產生的延遲和加速效應，具有明確的斷裂力學的物理含義，適用于描述各種韌性材料、不同加載條