疲劳裂纹形成寿命预估的耦联有限元法

论文摘要

构件疲劳失效已经成为许多工程领域中关系到机械与结构使用安全性和经济性的一个重要因素。构件疲劳失效过程可分为裂纹形成与裂纹扩展两个阶段。对于裂纹扩展阶段,目前基本上都是采用断裂力学方法进行分析。对于裂纹形成阶段,现行分析多采用试验与统计相结合的方法。这种方法势必要进行大量的统计试验,昂贵且费时,故可行性不高。疲劳裂纹形成寿命问题的研究,具有较大的理论和实际意义。本文应用疲劳损伤力学和耦联有限元法,研究了平面应力板状构件的疲劳裂纹形成寿命问题。应用耦联有限元法,损伤耦合效应可以通过修改整体刚度矩阵来实现。在已知应力场和损伤场的情况下,以危险单元的损伤度划分损伤演化的步长,采用简洁的损伤演化方程进行损伤演化分析。损伤演化方程中的材料常数通过已有的实验数据计算得到。在损伤演化方程中,引入了等效应力的概念。在危险单元的损伤度步长增加的情况下,不断得到对应的整体刚度矩阵和载荷矩阵,进而计算等效应力,应用损伤演化方程计算相应的疲劳裂纹形成寿命。一直到危险单元的损伤度达到1为止。把不同损伤度情况下的疲劳裂纹形成寿命相加,即得到该板状构件的疲劳裂纹形成寿命。通过与已有的实验结果对比,证明了疲劳裂纹形成寿命的计算结果较为理想,在大范围损伤的情况下,采用此方法预估板状构件的疲劳裂纹形成寿命是可行的。计算了几种板状构件的疲劳裂纹形成寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 疲劳问题研究概述
• 1.2.1 疲劳研究简史
• 1.2.2 疲劳问题的发展现状
• 1.2.3 疲劳裂纹形成寿命研究方法
• 1.3 损伤力学及其发展情况
• 1.4 耦联有限元法
• 1.4.1 概述
• 1.4.2 耦联有限元法的现状
• 1.5 本文主要的研究内容
• 第2章 线弹性连续介质损伤力学基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 损伤变量及相关参数
• 2.2.1 有效应力及损伤变量
• 2.2.2 等效应力
• 2.3 损伤力学的控制方程
• 2.3.1 平衡方程
• 2.3.2 小变形位移与应变关系
• 2.3.3 损伤耦合的本构关系
• 2.3.4 边界条件
• 2.3.5 损伤演化方程
• 2.4 基本假设
• 2.5 本章小结
• 第3章 疲劳裂纹形成寿命预估的耦联有限元法
• 3.1 引言
• 3.2 有限元法简介
• 3.2.1 形状函数
• 3.2.2 应变矩阵和应力矩阵
• 3.2.3 单元刚度矩阵
• 3.2.4 整体刚度矩阵
• 3.3 耦联有限元法的建立
• 3.4 给定应力场的损伤分析与裂纹形成寿命预估
• 3.5 本章小结
• 第4章 疲劳裂纹形成寿命预估的程序设计
• 4.1 程序的设计思路
• 4.2 程序的流程图
• 4.3 输入的原始数据和输出的数据
• 4.3.1 需要输入的原始数据
• 4.3.2 输出的数据
• 4.4 危险单元的选取标准
• 4.5 本章小结
• 第5章 预估板状构件疲劳裂纹形成寿命
• 5.1 引言
• 5.2 材料常数的确定
• 5.2.1 LC4CS 铝合金的材料常数
• 5.2.2 LY12CZ 铝合金的材料常数
• 5.3 对计算方法的验证
• 5.3.1 算例一
• 5.3.2 算例二
• 5.3.3 算例三
• 5.4 算例
• 5.4.1 算例一
• 5.4.2 算例二
• 5.4.3 算例三
• 5.4.4 算例四
• 5.4.5 算例五
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介