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单边缺口拉伸试样喷丸强化残余应力及其三维应力强度因子分析

作　者: 汤英
导　师: 张晓晶
学　校: 上海交通大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 喷丸有限元三维权函数法残余应力应力强度因子单边缺口拉伸试样
分类号: TG668
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

喷丸强化常用于提高材料和零件的疲劳强度,是延长疲劳寿命最有效的表面工程技术之一。定量研究喷丸强化对材料表面强化层内三维小裂纹的应力强度因子和疲劳小裂纹的裂纹扩展速率以及疲劳寿命的影响,是当前疲劳与断裂力学研究领域中的一个很活跃并且一直受到重视的课题,其研究所获得的结果最终将改进飞机结构的可靠性与安全性,有着重要的意义。本文首先采用有限元计算软件ABAQUS/Explicit建立TA15钛合金材料单边缺口拉伸试样在陶瓷弹丸和铸钢弹丸两种材料下喷丸强化的三维有限元模型,与试验中X射线法测量得到的残余应力场结果吻合较好。其次利用有限元分析了各种喷丸参数(即喷丸速度、喷丸角度、弹丸直径、弹丸形状和喷丸覆盖率)与强化后残余应力场的关系,并将残余应力场用四个特征参数(即表面残余压应力、最大残余压应力、最大残余压应力距表面的距离和残余压应力场的深度)进行表征分析。为了研究喷丸和未喷丸对疲劳裂纹萌生位置和小裂纹形状的影响,采用扫描电子显微镜对疲劳试样断口形貌进行观察分析,分析结果表明:1)喷丸和未喷丸的疲劳小裂纹均从试样缺口根部萌生;2)喷丸强化下的裂纹形态为角裂纹,未喷丸强化下的裂纹形态为表面裂纹;3)两种小裂纹在扩展过程中保持裂纹面半宽a和裂纹深度c的比值稳定,约为a/c=1.0。在由各喷丸参数下引入的残余应力场的基础上,用三维权函数法求解了三维角裂纹在喷丸残余应力场下的应力强度因子,并分析各喷丸参数对残余压缩应力强度因子Kres的影响。计算结果表明:1)当裂纹尺寸较小时,最大残余压应力越大,残余压缩应力强度因子绝对值(-Kres)越大;2)随着裂纹尺寸的增加,残余压应力层越深,-Kres最大绝对值的发生位置也越深;3)当裂纹达到一定尺寸时,-Kres受残余压应力场深度变化规律的影响,即残余压应力场的深度越大,-Kres越大。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-17
  1.1 本课题研究的意义和背景  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-16
    1.2.1 喷丸强化工艺的研究现状  11-12
    1.2.2 喷丸强化残余应力场的研究现状  12-13
    1.2.3 三维应力强度因子的研究现状  13-14
    1.2.4 喷丸强化对小裂纹扩展速率的影响研究现状  14-16
  1.3 本文研究的主要内容  16-17
第二章残余应力场的测量与分析  17-30
  2.1 材料与试样  17-18
  2.2 喷丸强化残余应力场的测量  18-21
    2.2.1 喷丸强化的基本理论  18
    2.2.2 X 射线衍射法测量残余应力场  18-20
    2.2.3 陶瓷喷丸残余应力场的测量结果  20
    2.2.4 铸钢喷丸残余应力场的测量结果  20-21
  2.3 喷丸残余应力场的有限元建模  21-29
    2.3.1 喷丸残余应力场的建模方法  22-23
    2.3.2 喷丸残余应力场的有限元结果分析  23-27
    2.3.3 误差分析  27-29
  2.4 本章小结  29-30
第三章喷丸残余应力场的有限元模拟分析  30-44
  3.1 陶瓷喷丸参数对残余应力场的影响分析  30-37
    3.1.1 喷丸速度的影响  30-31
    3.1.2 喷丸角度的影响  31-32
    3.1.3 弹丸直径的影响  32-34
    3.1.4 弹丸形状的影响  34-35
    3.1.5 喷丸覆盖率的影响  35-37
  3.2 铸钢喷丸参数对残余应力场的影响分析  37-43
    3.2.1 喷丸速度的影响  37-38
    3.2.2 喷丸角度的影响  38-40
    3.2.3 弹丸直径的影响  40-41
    3.2.4 喷丸覆盖率的影响  41-43
  3.3 本章小结  43-44
第四章单边缺口三维应力强度因子的计算与分析  44-69
  4.1 单边缺口三维裂纹形状的确定  44-50
    4.1.1 标识载荷法确定三维裂纹的形状  44
    4.1.2 试样断口形貌分析  44-50
  4.2 权函数法计算单边缺口三维裂纹的应力强度因子  50-53
    4.2.1 权函数法  50-51
    4.2.2 单边缺口三维裂纹权函数法的理论  51-53
  4.3 单边缺口权函数法的应用验证  53-56
    4.3.1 缺口表面裂纹的应力强度因子  53-55
    4.3.2 缺口角裂纹的应力强度因子  55-56
  4.4 陶瓷喷丸参数对应力强度因子的影响分析  56-61
    4.4.1 喷丸速度对应力强度因子的影响分析  57
    4.4.2 喷丸角度对应力强度因子的影响分析  57-58
    4.4.3 弹丸直径对应力强度因子的影响分析  58-59
    4.4.4 弹丸形状对应力强度因子的影响分析  59-60
    4.4.5 喷丸覆盖率对应力强度因子的影响分析  60-61
  4.5 铸钢喷丸参数对应力强度因子的影响分析  61-68
    4.5.1 喷丸速度对应力强度因子的影响分析  61-63
    4.5.2 喷丸角度对应力强度因子的影响分析  63-65
    4.5.3 弹丸直径对应力强度因子的影响分析  65-66
    4.5.4 喷丸覆盖率对应力强度因子的影响分析  66-68
  4.6 本章小结  68-69
第五章总结和展望  69-71
  5.1 主要结论  69-70
  5.2 研究展望  70-71
参考文献  71-75
致谢  75-77
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  77-79

单边缺口拉伸试样喷丸强化残余应力及其三维应力强度因子分析

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