基于裂纹闭合模型的三维裂纹疲劳扩展分析

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1、中图分类号：O33；O34论文编号：102870118-S190学科分类号:082501硕士学位论文基于裂纹闭合模型的三维裂纹疲劳扩展分析研究生姓名许磊学科、专业飞行器设计研究方向疲劳裂纹扩展分析指导教师郭万林教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringThree-dimensionalfatiguecrackgrowthanalys

2、isbasedoncrackclosuremodelAThesisinFlightVehicleDesignbyLeiXuAdvisedbyProf.WanlinGuoSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南

3、京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要航空结构中存在大量的三维形式裂纹，如角裂纹，表面裂纹等。对含有三维裂纹的结构进行疲劳裂纹扩展分析和疲劳寿命预测在飞机结构损伤容限设计中至关重要。然而，谱载荷下三维裂纹的疲劳扩展及寿命预测至今未能得到很好的解决，原因在于用于进行疲劳扩展分析以及寿命预测的材

4、料疲劳性能参数均是根据标准疲劳实验数据获得的，而实际三维裂纹尖端的三维应力状态不同于标准试验件中穿透裂纹尖端的应力状态，因此现有的材料疲劳性能数据不能直接应用于三维裂纹疲劳扩展及疲劳寿命分析。因此，本文基于三维疲劳断裂理论，对三维疲劳裂纹扩展做了以下工作：1.基于有限元软件ABAQUS计算了含穿透直裂纹有限宽度平板裂尖的应力强度因子，并得到了裂尖应力强度因子沿板厚方向的变化趋势。标准疲劳试验得到的裂纹扩展速率曲线依赖于试样厚度和应力比。为了得到只和材料本身相关的疲劳性能参数，采用疲劳裂纹闭合模型中提出的有效应力强度因子的概

5、念，对不同试样厚度、不同应力比下的裂纹扩展曲线进行处理，将这些曲线统一到同一条曲线上，从而得到只和材料本身相关的疲劳性能参数。对2.3mm厚的2024-T3铝合金试样在应力比分别为0.05和-1的情况下的疲劳裂纹扩展进行了预测，并分析了应力比和试样厚度对疲劳裂纹扩展的影响。2.根据三维疲劳断裂理论和条带屈服模型，采用三维条带屈服模型计算裂纹闭合效应。该模型能够定量地确定约束因子的大小，大大方便了在实际工程结构中使用该模型。三维条带屈服模型考虑裂纹闭合效应，同时能够考虑载荷间的相互影响，因此能够用于计算变幅载荷或谱载荷下裂纹

6、的疲劳扩展。3.基于三维条带屈服模型提出了一个三维裂纹扩展模型，分析了纯弯曲载荷下半椭圆表面裂纹的疲劳扩展和扩展过程中裂纹形状演化规律，并将该结果与试验结果进行了对比。分析发现尽管表面裂纹的初始形状比不同，但在裂纹扩展过程中裂纹的形状比趋于一个固定值，且纯弯曲载荷和拉伸载荷下都存在该现象。4.根据第四章提出的三维裂纹扩展模型，分析了不同初始形状比的半椭圆表面裂纹在不同拉弯组合载荷作用下的疲劳扩展行为，并预测了相应的疲劳裂纹扩展寿命。将基于三维裂纹扩展模型模拟得到的半椭圆表面裂纹在纯弯曲和纯拉伸载荷下的扩展行为和已有文献中的

7、试验结果进行了对比，两者吻合较好，说明了该模型能够有效预测拉伸、弯曲以及拉弯组合载荷下半椭圆表面裂纹的疲劳扩展行为。根据模拟的结果发现，随着拉弯载荷中弯曲载荷所占比例的上升，表面裂纹在深度方向和表面方向上的扩展速度下降，疲劳裂纹扩展寿命上升，当表面裂纹穿透平板厚度时，裂纹的最终长度上升。对于特定的拉弯组合载荷，不同初始形状比的半椭圆I基于裂纹闭合模型的三维裂纹疲劳扩展分析表面裂纹的最终形状比均趋于一个固定值，这与纯弯曲载荷下得到的结果一致。关键词：三维裂纹，裂纹扩展，寿命预测，裂纹闭合模型，三维约束理论，纯弯曲，拉弯组合I

8、I南京航空航天大学硕士学位论文ABSTRACTThereexistsubstantialthree-dimensionalcrackssuchascornercracksandsurfacecracksinaeronauticstructures.Itisofgreatsignificancetocon