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裂纹扩展与损伤演化理论与应用研究

作　者: 吴建国
导　师: 王奇志
学　校: 北京航空航天大学
专　业: 固体力学
关键词: 固体热力学断裂力学损伤力学载荷位移曲线应力强度因子阻力曲线疲劳寿命裂纹萌生裂纹扩展单调加载重复加载
分类号: O346.1
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

在长寿命结构的设计过程中,结构或构件的耐久性与损伤容限设计是极为重要的设计环节。而构件或材料的抗断裂性能是耐久性与损伤容限设计所考察的重要力学指标之一。目前,对这方面的研究还缺乏坚实的理论基础。因此,对含裂纹构件尤其是含非穿透裂纹构件抗断裂性能的研究不仅具有学术研究价值,而且也具有工程应用价值。本文对含裂纹构件的抗断裂性能进行了较为全面的理论研究和必要的实验研究,并且取得了一定的成果,全文共涉及三个方面的内容:第一部分研究了二维含穿透裂纹构件在两种失效模式(裂纹扩展与韧带屈服)下的载荷与位移关系。本文基于能量差率原理、余能原理、计及厚度效应的断裂韧度与阻力曲线理论以及塑性本构关系,得到二维含穿透裂纹构件载荷-位移曲线的解析闭合解;为了验证该解析闭合解的有效性,进行了二维含穿透裂纹构件的准静态单调加载试验研究。第二部分从裂纹扩展动力与裂纹扩展阻力两个方面,研究了含非穿透裂纹三维有限大体的裂纹扩展问题。在裂纹扩展动力研究方面,改进了已有的基于能量差率原理求解含非穿透裂纹三维有限大体应力强度因子与能量释放率的方法,并得到与有限元法计算结果基本一致的显示闭合解。在裂纹扩展阻力研究方面,基于热力学原理,给出了重复加载下含非穿透裂纹三维构件的疲劳裂纹扩展速率的理论表达式;在此基础之上,给出了预测疲劳裂纹扩展寿命的数值方法。同时,建立了以热力学定律为基础的单调加载下含非穿透裂纹三维构件的裂纹扩展微分方程组,并给出由方程组绘制疲劳裂纹扩展阻力曲线的数值方法。第三部分应用基于损伤力学原理的疲劳裂纹形成寿命的封闭解预估某型号民机加压舱的疲劳裂纹形成寿命。在有限元细节应力分析结果的基础上,结合塑性理论与损伤力学原理得到疲劳裂纹形成寿命预估模型,给出机身加压舱结构的概率疲劳寿命,该方法的计算结果与全尺寸等压舱结构的疲劳试验结果基本一致。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-16
第一章绪论  16-28
  1.1 引言  16-17
  1.2 断裂力学研究  17-21
    1.2.1 概述  17
    1.2.2 穿透裂纹扩展动力研究  17-18
    1.2.3 非穿透裂纹扩展动力研究  18-19
    1.2.4 穿透裂纹扩展阻力研究  19-20
    1.2.5 非穿透裂纹扩展阻力研究  20-21
  1.3 疲劳理论与损伤力学研究  21-26
    1.3.1 概述  21
    1.3.2 疲劳裂纹形成研究  21-23
    1.3.3 疲劳裂纹扩展研究  23-26
  1.4 本文研究内容  26-28
第二章含扩展裂纹板计及厚度效应的载荷位移曲线解析闭合解  28-46
  2.1 引言  28-29
  2.2 驻止裂纹的载荷位移关系  29-32
  2.3 扩展裂纹的载荷与位移关系  32-35
  2.4 扩展裂纹载荷位移曲线的厚度效应  35-38
  2.5 计算实例  38-43
    2.5.1 驻止裂纹  39-41
    2.5.2 扩展裂纹  41-43
  2.6 实验验证  43-45
    2.6.1 实验方法  43-44
    2.6.2 对比分析  44-45
  2.7 本章小结  45-46
第三章含裂纹构件塑性失效时载荷与位移关系的闭合解  46-56
  3.1 引言  46
  3.2 力学模型  46-47
  3.3 线弹性分析  47-48
  3.4 弹塑性分析  48-52
    3.4.1 基本方程  48-49
    3.4.2 外载荷与弹塑性带曲率半径的关系  49-50
    3.4.3 位移与曲率的关系  50-51
    3.4.4 梁的挠度与外载荷的关系  51-52
    3.4.5 承载能力的确定  52
  3.5 弹塑性带宽度的确定  52-53
  3.6 算例与实验  53-55
  3.7 本章小结  55-56
第四章三维应力强度因子与能量释放率  56-104
  4.1 引言  56
  4.2 含裂纹体的应变能  56-58
  4.3 裂纹张开位移模态  58-74
    4.3.1 二维裂纹张开位移模态  59-72
    4.3.2 三维裂纹张开位移模态  72-74
  4.4 能量差率法原理  74-79
    4.4.1 确定I 与J  77-78
    4.4.2 确定B  78-79
  4.5 应力强度因子与能量释放率  79-81
    4.5.1 应力强度因子  79-80
    4.5.2 能量释放率  80-81
  4.6 应力强度因子计算实例  81-91
    4.6.1 深埋椭圆裂纹  81-84
    4.6.2 表面半椭圆裂纹  84-86
    4.6.3 圆形缺口边1/4 椭圆角裂纹  86-91
  4.7 能量释放率计算实例  91-103
    4.7.1 深埋椭圆裂纹  91-95
    4.7.2 圆形缺口边1/4 椭圆角裂纹  95-103
  4.8 本章小结  103-104
第五章基于热力学原理的三维裂纹扩展理论研究  104-134
  5.1 引言  104
  5.2 裂纹扩展热力学原理  104-106
  5.3 裂纹扩展驱动力  106-109
  5.4 裂纹扩展准则  109-112
    5.4.1 裂纹起始扩展准则  109-110
    5.4.2 加载准则  110-111
    5.4.3 裂纹后继扩展准则  111-112
  5.5 裂纹扩展方程  112-115
    5.5.1 裂纹起始扩展方程  112-114
    5.5.2 裂纹后继扩展方程  114-115
  5.6 裂纹扩展增量  115-118
    5.6.1 裂纹扩展增量方向  115-117
    5.6.2 裂纹扩展增量大小  117-118
  5.7 疲劳裂纹扩展速率  118-122
  5.8 疲劳裂纹扩展寿命  122-124
  5.9 阻力曲线  124-127
    5.9.1 裂纹扩展阻力曲线微分方程组  124-125
    5.9.2 微分方程组的数值解法  125-127
  5.10 疲劳裂纹扩展计算实例  127-133
    5.10.1 确定裂纹扩展速率方程中的参数  127-129
    5.10.2 疲劳裂纹扩展寿命算例  129-133
  5.11 本章小结  133-134
第六章铆钉连接件细节应力分析及疲劳裂纹形成寿命预估  134-152
  6.1 引言  134
  6.2 细节应力分析建模  134-138
  6.3 损伤演化方程  138-140
  6.4 疲劳裂纹形成寿命  140
  6.5 塑性修正  140-143
    6.5.1 塑性应力集中修正  140-142
    6.5.2 塑性初始损伤修正  142-143
  6.6 参数拟合  143-147
    6.6.1 损伤演化参数拟合  143-145
    6.6.2 塑性初始损伤参数拟合  145-147
  6.7 概率疲劳曲线  147-150
  6.8 理论总结与工程应用  150-151
  6.9 本章小结  151-152
结论  152-154
参考文献  154-166
攻读博士学位期间取得的研究成果  166-167
致谢  167-168
作者简介  168

裂纹扩展与损伤演化理论与应用研究

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