疲勞裂紋擴展形貌的演化規(guī)律及其對結構疲勞壽命的影響.pdf

1、機械結構的疲勞斷裂往往造成突發(fā)性安全事故，帶來巨大的人員和經(jīng)濟損失。作為研究疲勞裂紋相關問題的重要手段，疲勞裂紋擴展的數(shù)值模擬方法能夠經(jīng)濟、高效、直觀地對機械結構中疲勞裂紋的擴展行為進行預測，一直受到相關研究者的重視。研究機械結構中疲勞裂紋擴展形貌的演化規(guī)律，能夠進一步提高機械零件的疲勞壽命預測精度，具有一定的理論意義和工程實用價值。本文對復雜機械結構中疲勞裂紋擴展的數(shù)值模擬方法進行了研究，在此基礎上，利用理論研究、數(shù)值模擬和實驗數(shù)據(jù)驗

2、證相結合的研究方法，系統(tǒng)研究了機械零件的局部結構及邊界條件的變化對疲勞裂紋擴展形貌的作用和影響，并在此基礎上對結構疲勞壽命的預測方法進行了研究。本文的主要工作及研究成果如下：
　　（1）對復雜機械結構中疲勞裂紋擴展的三維數(shù)值模擬方法進行了研究。建立了三維結構模型中面狀疲勞裂紋擴展行為的參數(shù)化模型，實現(xiàn)了有限元網(wǎng)格對裂紋擴展前沿的動態(tài)追蹤。在上述研究工作的基礎上，發(fā)展了疲勞裂紋擴展的數(shù)值模擬方法，實現(xiàn)了對一般邊界條件下，任意結構形狀

3、的機械零件的疲勞斷裂過程的數(shù)值模擬，與保守估計法、形狀假定法等傳統(tǒng)的模擬方法相比，更具工程實用價值。
　　（2）研究了片狀疲勞裂紋擴展形貌的演化規(guī)律及其影響因素。對多種厚度尺寸的三點彎曲試樣中片狀疲勞裂紋的擴展過程進行研究，獲得了試樣厚度、初始裂紋形貌、初始裂紋長度等因素，對片狀疲勞裂紋擴展形貌演化的影響規(guī)律。研究得到了壽命積分路徑的選擇對結構片狀疲勞裂紋擴展壽命的預測結果的影響規(guī)律。提出了依據(jù)片狀疲勞裂紋擴展形貌設定壽命積分路徑

4、的結構疲勞壽命預測方法，相對于僅依靠擴展長度和擴展速度兩個參數(shù)進行結構疲勞壽命估算的傳統(tǒng)預測方法，其預測精度進一步提高，且更具有工程實用價值。
　?。?）對復合型疲勞裂紋擴展路徑的偏折規(guī)律及其影響因素進行了研究。對變工況三加載孔非標準緊湊拉伸試樣中，疲勞裂紋經(jīng)歷三次路徑偏折的擴展過程進行了研究。載荷作用方向的改變，一直被認為是引起裂紋擴展方向偏折的主要因素，研究結果表明，裂紋擴展區(qū)試樣局部結構的變化同樣是疲勞裂紋擴展路徑產(chǎn)生偏折的

5、主要影響因素。進一步研究得到了以上兩個因素對疲勞裂紋擴展路徑的偏折規(guī)律，為精確預測結構疲勞壽命提供了理論依據(jù)。
　　（4）基于三維疲勞裂紋擴展模擬的機械結構疲勞壽命的預測方法的研究。對在齒根不同位置萌生了裂紋的圓柱齒輪的疲勞斷裂過程進行了模擬和研究，研究得到了疲勞裂紋在齒根處的具體萌生位置及初始裂紋傾角對輪齒斷裂形貌和齒輪零件疲勞壽命的影響規(guī)律。得到了壽命積分路徑的選擇對齒輪零件疲勞壽命預測結果的影響規(guī)律。
　　在分析和總結