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16MnR钢疲劳裂纹扩展形貌和扩展路径的试验研究与数值模拟

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论文说明:主要符号说明

声明

第一章绪论

1.1课题研究目的和意义

1.2国内外研究现状及分析

1.2.1 Ⅰ型加载下疲劳裂纹扩展规律的试验研究

1.2.2 Ⅰ-Ⅱ型复合加载下疲劳裂纹扩展规律的试验研究

1.2.3疲劳裂纹扩展行为的预测模型

1.2.4目前研究存在的主要问题及分析

1.3本文的研究目标和内容

1.3.1研究目标

1.3.2研究内容

第二章Ⅰ型加载疲劳裂纹扩展速率与形貌演化规律试验研究

2.1材料与试样

2.2 Ⅰ型加载疲劳裂纹扩展试验

2.2.1试验设备和条件

2.2.2试验内容

2.3试验结果及分析讨论

2.3.1常幅加载下试样表面层裂纹前沿的疲劳裂纹扩展速率

2.3.2单个拉伸过载下试样表面层裂纹前沿的疲劳裂纹扩展速率

2.3.3常幅加载下疲劳裂纹扩展形貌

2.3.4单个拉伸过载下疲劳裂纹扩展形貌

2.4本章小结

第三章Ⅰ-Ⅱ型复合分步加载的疲劳裂纹扩展试验研究

3.1材料与试样

3.2 Ⅰ-Ⅱ型复合分步加载疲劳裂纹扩展试验

3.2.1试验设备

3.2.2试验内容

3.3紧凑拉伸剪切试样的线弹性有限元分析

3.3.1有限元建模

3.3.2有限元计算结果与Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹扩展行为的参量

3.4试验结果及分析

3.4.1疲劳裂纹扩展路径

3.4.2疲劳裂纹扩展速率

3.5本章小结

第四章Ⅰ型常幅加载裂纹扩展行为分析及有限元模拟

4.1裂纹扩展行为的数据分析

4.1.1采用抛物线和椭圆方程拟合裂纹扩展形貌

4.1.2裂纹扩展形貌拟合时椭圆方程的参数变化规律

4.1.3裂纹扩展形貌“隧道效应”参量分析

4.2三维有限元模拟

4.2.1三维有限元建模

4.2.2应力强度因子有限元计算结果

4.2.3材料循环塑性模型

4.2.4多轴疲劳损伤准则

4.2.5缺口根部裂纹启裂损伤分析

4.3试验结果与有限元结果的分析

4.3.1缺口根部启裂寿命分析

4.3.2表面层与中心层裂纹前沿的裂纹扩展速率分析

4.4本章小结

第五章Ⅰ-Ⅱ型复合加载下疲劳裂纹扩展行为模拟预测

5.1疲劳裂纹扩展行为的预测模型

5.1.1基于连续累积损伤的裂纹启裂和裂纹扩展统一预测模型

5.1.2疲劳裂纹扩展速率和扩展方向的确定

5.2 Ⅰ-Ⅱ型复合加载下疲劳裂纹扩展行为的模拟预测

5.2.1裂纹前沿附近弹塑性应力应变响应

5.2.2裂纹前沿附近累积疲劳损伤与疲劳残余损伤

5.2.3模拟结果与试验结果的比较

5.3本章小结

第六章结论与展望

6.1主要结论

6.2主要创新点

6.3展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况说明

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摘要

在石油化工、动力、航空航天等领域中,大量压力容器与各类承压设备都是在复杂的多轴循环载荷下工作,容易引起工程结构的疲劳裂纹扩展,进而导致灾难性的破坏。因此,对疲劳裂纹扩展规律以及裂纹扩展行为预测方法进行系统深入地研究具有重要的理论价值和现实的工程意义。
   本文采取试验与理论预测相结合的研究方法,进行大量的疲劳裂纹扩展试验,并根据目前多轴疲劳损伤准则的新成果,对I-II型复合加载疲劳裂纹扩展行为进行了定量准确预测。
   针对16MnR钢不同厚度的缺口紧凑拉伸试样,进行了I型常幅加载和过载的疲劳裂纹扩展试验;采用半幅降载勾线法,获取I型加载三种厚度试样的裂纹扩展形貌。结果表明:I型常幅加载的裂纹扩展形貌可用椭圆方程合理描述,具有“隧道效应”(crack tunneling)的特征;沿着试样厚度方向上,中心层裂纹前沿的疲劳裂纹启裂寿命比表面层裂纹前沿的更短;在稳定裂纹扩展阶段,裂纹以很相似的椭圆形裂纹形貌向前扩展,中心层裂纹前沿(平面应变状态)的裂纹扩展速率与表面层裂纹前沿(平面应力状态)的接近相等。过载时,裂纹扩展速率产生延迟现象,经历了滞后延迟和延迟两个阶段。对薄试样,过载延迟区裂纹扩展形貌与稳定裂纹扩展形貌基本一致;对厚试样,过载延迟区裂纹扩展形貌表现为“Ω”形状,这与椭圆形状的稳定裂纹扩展形貌有较大差异。基于有限元分析与多轴疲劳损伤概念,合理解释I型常幅加载裂纹启裂三维特性及裂纹扩展形貌演化规律。
   针对16MnR钢不同厚度的缺口紧凑拉剪试样,设计了I-II型复合分步加载的疲劳裂纹扩展试验。在裂纹扩展过程中,缺口紧凑拉剪试样始终经历I-II型复合加载,裂纹扩展路径不断发生改变。特别地,加载方向改变之后,处于疲劳残余损伤区(RDZ)的裂纹前沿受到先前加载步的影响,裂纹扩展路径发生了很大的转变,此时裂纹扩展速率存在较大延迟现象,并且裂纹扩展路径逐渐向外载荷垂线方向靠近或跨越。通过线弹性有限元应力分析,得出沿裂纹扩展路径方向上裂纹前沿的载荷复合比,合理解释I-II型复合分步加载裂纹扩展路径转变规律。
   结合Jiang-Sehitoglu循环塑性模型和Jiang多轴疲劳损伤准则,运用“基于连续累积损伤的裂纹启裂和裂纹扩展统一预测模型”,精确预测了16MnR钢I-II型复合分步加载疲劳裂纹扩展行为(疲劳裂纹扩展速率和裂纹扩展路径),并且准确预测了转变区内裂纹扩展方向的逐渐转变过程。Jiang-Sehitoglu循环塑性模型能够合理描述16MnR钢材料的弹塑性应力应变响应;基于精确的裂纹前沿应力应变场,Jiang多轴疲劳损伤准则准确评估了裂纹前沿附近的疲劳裂纹扩展损伤以及疲劳残余损伤;基于统一预测模型,精确预测了16MnR钢I-II型疲劳裂纹扩展行为,预测值与试验结果吻合较好。

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