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

1、復(fù)合型疲勞裂紋擴展而導(dǎo)致的斷裂是機械和化工構(gòu)件的主要斷裂形式之一,由于其在實際結(jié)構(gòu)中存在的廣泛性和理論分析時的復(fù)雜性而一直受到相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注,而 I型(張開型)和 II型(滑開型)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)合型疲勞裂紋的擴展機理對構(gòu)件剩余壽命的精確預(yù)測具有重大理論和實際意義。本文詳細介紹了近幾年新興的擴展有限元數(shù)值方法,并應(yīng)用擴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中對非標準緊湊拉伸剪切試樣(CTS)進行I-II復(fù)合型疲勞裂紋擴展模擬分析,并與相應(yīng)的試驗結(jié)果進行對比,具體如下:
　　首先,闡述了擴展有限元法的基本思想和原理,介紹了擴展有限元法在處理裂紋問題時的思路和內(nèi)容;推導(dǎo)了擴展有限元法解決裂紋擴展問題時的位移場函數(shù)、控制方程、離散方程、形函數(shù)偏導(dǎo)和數(shù)值積分等的表達式;闡述了基于擴展有限元法的單位分解思想以保證計算收斂與精度,同時介紹了預(yù)設(shè)虛節(jié)點法以在ABAQUS軟件上實現(xiàn)斷裂分析

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

4、得到裂紋擴展路徑的模擬數(shù)值,同時計算對應(yīng)的應(yīng)力強度因子,從而計算出裂紋擴展速率。分析厚度和加載角度對I-II復(fù)合型疲勞裂紋擴展行為的影響,得出裂紋擴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,裂紋擴展速率也不同,而且與裂紋擴展路徑變化密切相關(guān)。
　　最后,通過試驗結(jié)果和擴展有限元模擬結(jié)果的對比,驗證了擴展有限元法解決I-II復(fù)合型疲勞裂紋擴展問題的可靠性,證明利用擴展有限元法分析復(fù)合型疲勞裂紋擴展問題具