实验分析疲劳累计损伤分段函数表示法的合理性.pdf

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1、第40卷第3期化工机械309实验分析疲劳累计损伤分段函数表示法的合理性孙鹏+李其(东北石油大学)摘要加工带有半圆形缺口的平板试件，采用应变片对材料局部进行应变监测，通过轴向高周疲劳试验，研究了缺陷试件弹性模量损伤特性。结果表明l直至缺陷根部应力集中位置出现裂纹前弹性模量并无明显变化。这一结论与光滑试件所得结论存在差并，对造成差异原因进行筒单分析，最终得到疲劳损伤过程存在明显阶段性的结论，为疲劳损伤历程的分段函数表示提供了实验参考。关键词高频疲劳应力集中弹性模量损伤例程分段函数中图分类号TQ050．7文献标识码A文章编号

2、0254-6094(2013)03-0309-03工程中很多构件或结构的失效均是由于疲劳损伤引起的，疲劳过程就是疲劳裂纹萌生、裂纹的亚临界扩展、失稳断裂的过程，实际上是一个损伤累积的过程。为了研究疲劳的损伤规律，很多学者从不同的角度，采用不同的损伤参量，根据低周疲劳的损伤特点和实质，以及考虑多种因素的影响，从理论上建立了多种疲劳损伤模型¨。1。其中，通过研究疲劳过程中弹性模量损伤特性的方法可以对整个损伤历程进行全程监测。故此，笔者采用以弹性模量未损伤变量的方法，探究缺陷试件在高周疲劳历程中的损伤演变情况，并加以分析。笔

3、者基于损伤力学理论和实验数据分析，通过对缺陷根部附近应变值的动态测量，观察弹性模量损伤度的发展情况，研究了Q235A弹性模量的损伤变化规律，为疲劳损伤的研究应用提供参考。1损伤力学的基本思想在各种外部因素(载荷、变温及腐蚀等)对材料的作用下，往往会萌生裂纹，裂纹的扩展与合并，使材料和结构的性能逐渐退化，造成材料或结构的强度、刚度及韧性等指标下降或剩余寿命降低。损伤力学就是研究含损伤的变形固体在载荷等外在因素的作用下，损伤场的演化规律及其对材料力学性能的影响。由于疲劳演变过程实质是一个损伤累积、发展的过程，表现为受力的有

4、效面积的减小、名义应力的衰减及弹性模量的下降等，因此，可以通过对受损后的弹性模量的测量，再利用应变等效原理，计算得到损伤变量¨]，即：D=l—E’／E其中，E’是材料受损后的弹性模量。损伤D的变化范围是0≤D≤1。当D=0时，表示截面处无损伤；当D=l时，表示截面上遍布损伤，材料已经完全破坏。当然，事实上，当D<1时断裂或破坏就已经发生。2试验2．1试验材料试验材料为Q235A钢，加工成单侧半圆缺陷平板，厚度为7．25mm，工作部分缺陷半径4．0mm，应力集中系数3．08"J，具体尺寸如图1所示。·孙鹏，男，1986年

5、12月生，硕士研究生。黑龙江省大庆市，163318。图1试件尺寸示意图310化工机械2013钷2．2试验方法试验在GTM．300高频疲劳试验机上进行，采用东华DH5923动态应变仪测量应变。试验试样所加静载荷为65kN，动载荷为25kN，试验在室温、空气中进行。3试验结论与推论3．1试验分析与结论图2为试件表面出现宏观裂纹前所测得的应变动态数据。从图2可见，在交变载荷作用下，存在明显应力集中的试件在出现明显裂纹之前，并未出现明显的损伤迹象。在如图所示的加载过程中，应变值处于稳定的波动状态，由此可以得出在出现宏观裂纹前弹

6、性模量基本处于稳定状态。，—■细嘶蝴削嘲嘲■嗍龋钿嘲嘲蝌懒舯确啪嘲獬姆图2循环载荷下应变波动图3为材料出现明显裂纹前、后弹性模量的变化情况，通过图3不难看出应变值的变化大致是先有所减少，随后增加，直至贴片处断裂。图3试件开裂前后出现的应变波动变化由以上现象得出在存在应力集中的情况下，弹性模量在出现明显宏观裂纹前并不随着循环加载的继续而变化。这一结论与文献[6，7]中所得结论存在差异，主要体现在裂纹产生前弹性模量的变化与否。在文献[6，7]中，弹性模量的变化在加载的初期便有一定的变化，随着疲劳损伤的累计，材料劣化程度的发

7、展，弹性模量的变化也显得逐渐明显。笔者所做的试验中由于试件缺陷根部的应力集中的影响，在缺陷根部所产生的应力较其他部位明显增强，导致开裂前的损伤集中在缺陷根部，打破了在疲劳初始阶段损伤随即分布的规律，而是集中分布。从应变量的测量方式来看，对于集中于一点的损伤其测量值很难有所反应。综上所述，笔者所得结论与已有结论虽然存在差异，但彼此间并不矛盾，只是由于实验环境差异造成的，并不影响结论的合理性。3．2结论的推论笔者通过试验分析得到在存在明显应力集中的条件下，损伤同时也呈现集中分布的特点。然而在无缺陷的光滑试件试验中，损伤是随

8、机分布在试件中的，当损伤累积到一定程度时必定在试件某处产生足够的应力集中，这时损伤便呈现相对集中地发展模式。由此可以得出推论，疲劳损伤累计历程可以大致分为两个阶段，即损伤的随机分布阶段和损伤发展到一定阶段产生足够的应力集中后的集中损伤阶段。损伤随即分布阶段大致对应裂纹萌生阶段，集中损伤阶段对应裂纹扩展阶段和失稳扩展阶段。两阶段存在