疲劳裂纹扩展仿真方法研究

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1、分类号密级UDC学校代码10497学位论文题目疲劳裂纹扩展仿真方法研究英文题目SimulationStudyonFatigueCrackPropagation研究生姓名周恒姓名乐京霞职称副教授学位博士指导教师姓名吴卫国职称教授学位硕士单位名称交通学院邮编430063申请学位级别硕士学科专业名称船舶与海洋结构物设计制造论文提交日期2014.4论文答辩日期2014.5学位授予单位武汉理工大学学位授予日期答辩委员会主席评阅人2014年5月万方数据独创性声明本人声明，所呈交的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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不

2、包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。

3、（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生（签名）：导师（签名）：日期：万方数据武汉理工大学硕士学位论文摘要随着断裂力学理论的发展，越来越多的学者倾向于应用断裂力学理论来解决工程结构疲劳和断裂问题。然而，疲劳实验对材料和环境设备要求较高，可重复性差。因此，采用有限元仿真软件模拟出的断裂参数和疲劳裂纹扩展，可以弥补实验测量条件的不足，以最终避免疲劳断裂问题中的复杂的不确定因素，降低工程结构疲劳寿命预测的分散性。论文利用通用有限元软件，对裂纹尖端的断裂参数和裂纹扩展过程进行仿真，并将仿真结果与理论值、实验值相比较；在此基础上，对不同有限元方法、不同断裂判据、不同裂纹扩展模型进行对

4、比研究。现将本文主要研究内容和研究结论总结如下：一、对常用断裂参数和裂纹扩展仿真的国内外研究现状进行了综述，并简要的梳理了有限元仿真方法的相关理论及其在断裂力学中的应用概况。二、基于通用有限元软件ANSYS（14.5版本），求解了平面裂纹和三维裂纹的应力强度因子K，探讨了不同载荷和裂尖角度下K值的变化规律。通过对比不同路径的J积分计算结果发现：积分路径取为2/5个裂纹长度时，J积分的数值最接近理论解；通过相互积分法求得的K值比通过经典位移插值法求得的结果更为精确和简便。三、针对高强度钢Q370的三点弯曲试样进行了裂纹扩展实验，回归了Paris公式中的双对数曲线，并测定了裂纹

5、扩展的应力强度因子门槛值Kth。同时，采用外差法和相互积分法求解了裂纹扩展过程中的K值，回归了双对数曲线，并进行误差分析。通过对比发现，采用相互积分法计算的K值比外差法的计算结果更为精确，由此回归的双对数曲线累积误差也更小。四、基于扩展有限元理论、经典断裂力学理论和内聚力模型，分别利用通用有限元软件ANSYS和ABAQUS对裂纹扩展过程和路径进行仿真。分别对斜裂纹模型、单边裂纹、多裂纹等三种裂纹体的裂纹扩展路径进行有限元仿真，研究了载荷形式对裂纹扩展路径以及裂纹扩展速率的影响，验证了基于有限元软件进行疲劳裂纹扩展仿真的可行性和可靠性。关键词：应力强度因子，有限元仿真，裂纹扩

6、展，扩展有限元，内聚力模型I万方数据武汉理工大学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentoffracturemechanics,moreandmoreresearcherstendtoapplythefracturetheorytosolvestructuralfatigueandfractureproblems.However,theconditionsofmaterialsandenvironmentalequipmentsinfatigueexperimentsarefarmoreidealfromthepointviewoffracturem

7、echanics,andthelowreliabilityofthoseexperimentsleadstopoorfatiguepridiction.Therefore,thefiniteelementsimulationofthefractureparametersandthefatiguecrackpropagationaremeaningfulforstrucuturalfatigueandfractureproblems.Inthisthesis,simulationsoffractureparamete