基于CTOAc评估结构断裂特性的方法研究

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1、第42卷第2期2012年3月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．42No．2Mar．2012基于CTOAe评估结构断裂特性的方法研究赵忠庆，王生楠，茅佳兵(西北工业大学航空学院，陕西西安710072)摘要：介绍了一种基于临界裂纹尖端张开角(CTOAc)评估破损结构延性断裂特性的方法。引入了评估裂纹稳态扩展和止裂的CTOA准则，介绍了CTOAc的试验测定方法，重点推荐准静态的方法。通过对两类典型M(T)试件进行有限元分析，应用应力失效准则及节点力释放技术模拟了结构的裂纹扩展过程，得到了对应裂

2、纹长度的CTOA值。结果表明，CTOA是模拟延性断裂的一个重要表征参数，CTOA准则在高韧性的航空铝合金结构中具有广泛的适用性和广阔的应用前景。关键词：裂纹尖端张开角；延性断裂；CTOA准则；有限元分析；裂纹扩展中图分类号：V215．7文献标识码：A文章编号：1671．654X(2012)02．0077．04ResearchonAssessmentofFractureforDamagedStructuresBasedonCTOAcZHAOZhong-qing，WANGSheng—nan，MAOJia—bing(SchoolofAer

3、onautics，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，China)Abstract：Amethodtoassesstheductilefractureofdamagedstructurebasedonthecracktipopeningan—gle(CTOA)isintroduced．CTOAcriterionisintroducedtoevaluatecrackstablegrowthandinstabilityduringthefractureprocess．Thisp

4、aperalsosivesabriefintroduceontheexperimentalwaytoobtainCTOAc，especiallyquasi·staticmethod．TheFEMontwotypicalM(T)specimenssimulatethecrackgrowthprocessandobtainthevalueofCTOAoneachcrackgrowth．TheconclusionfromtheFEMisthatCTOAisanimportantparametertosimulateductilefract

5、ureandCTOAcriterionhaswildapplicabilityandbroadprospectsonthehighductilematerialusedinaerometalstructure．Keywords：cracktipopeningangle；ductilefracture；CTOAcriterion；FEM；crackpropagation引言现代航空工程结构大多采用韧性较好的材料，以使结构能容忍较大损伤而不至于发生破坏，这类材料即使含有较长的裂纹，也具有相当高的强度。结构在起裂之后，往往会出现明显的裂纹

6、稳态扩展阶段，因此，结构所能承受的最大载荷可能明显地高于裂纹起裂时的载荷。此时，如果仍采用线弹性断裂力学的方法对含裂纹的结构进行剩余强度分析，就必然会导致难以接受的误差。只有采用弹塑性断裂力学的分析方法，才能满足工程实践的要求。在弹理性断裂力学中已经发展了很多的准则来描述延性断裂特性，如J积分准则、8准则、CTOD准则、CTOA准则等。随着研究的进展，许多研究者¨以1发现不论从理论和试验上，裂纹处于稳态扩展阶段时，CTOA通常保持相对稳定的数值，而材料阻抗也可以用临界CTOA(CTOAc)表示。因此，CTOA准则非常适合模拟延性断裂

7、的稳态扩展和对极限载荷或剩余强度的估计。美国NASA兰利实验室已经将基于CTOAc估计含裂纹结构剩余强度的断裂模拟手段用于飞机整体结构并有所进展旧J。我国学者在石油管道等方面应用CTOA理论已有所突破【4叫J，但在航空领域应用还比较少。本文将应用CTOA理论进行延性断裂研究。lCTOA的定义CTOA即瞬时裂纹尖端张开角，目前其定义都以试验测量结果为基础，其中～个常用的是将裂纹扩展后瞬时裂纹尖端与裂尖后距离为r。处上、下裂纹面上两对称点间连线所成夹角定义为瞬时裂纹尖端张开角，即：c捌=2arctan(麦)(1)收稿日期：201l一09

8、—17修订日期：2012一03一07基金项目：西北工业大学摹础研究基金项目资助(JC201021)作者简介：赵忠庆(1984一)，男。辽宁沈阳人，硕士研究生，主要研究方向为飞机结构疲劳、断裂、可靠性及损伤容限。航空计算技术第42卷第2