根据模拟的结果发现,随着拉弯载荷中弯曲载荷所占比例的上升, 表面裂纹在深度方向和表面方向上的扩展速度下降,疲劳裂纹扩 展寿命上升,当表面裂纹穿透平板厚度时,裂纹的最终长度上升。 对于特定的拉弯组合载荷,不同初始形状比的半椭圆表面裂纹的 最终形状比均趋于一个固定值,这与纯弯曲载荷下得到的结果一 致。
基于裂纹闭合模型的三维裂纹疲劳扩 展分析
航空结构中存在大量的三维形式裂纹,如角裂纹,表面裂纹等。 对含有三维裂纹的结构进行疲劳裂纹扩展分析和疲劳寿命预测 在飞机结构损伤容限设计中至关重要。
然而,谱载荷下三维裂纹的疲劳扩展及寿命预测至今未能得到很 好的解决,原因在于用于进行疲劳扩展分析以及寿命预测的材料 疲劳性能参数均是根据标准疲劳实验数据获得的,而实际三维裂 纹尖端的三维应力状态不同于标准试验件中穿透裂纹尖端的应 力状态,因此现有的材料疲劳性能数据不能直接应用于三维裂纹 疲劳扩展及疲劳寿命分析。因此,本文基于三维疲劳断裂理论, 对三维疲劳裂纹扩展做了以下工作:1.基于有限元软件ABAQUS计 算了含穿透直裂纹有限宽度平板裂尖的应力强度因子,并得到了 裂尖应力强小,大大方便了在实际工程 结构中使用该模型。三维条带屈服模型考虑裂纹闭合效应,同时 能够考虑载荷间的相互影响,因此能够用于计算变幅载荷或谱载 荷下裂纹的疲劳扩展。
3.基于三维条带屈服模型提出了一个三维裂纹扩展模型,分析了 纯弯曲载荷下半椭圆表面裂纹的疲劳扩展和扩展过程中裂纹形 状演化规律,并将该结果与试验结果进行了对比。分析发现尽管 表面裂纹的初始形状比不同,但在裂纹扩展过程中裂纹的形状比 趋于一个固定值,且纯弯曲载荷和拉伸载荷下都存在该现象。
4.根据第四章提出的三维裂纹扩展模型,分析了不同初始形状比 的半椭圆表面裂纹在不同拉弯组合载荷作用下的疲劳扩展行为, 并预测了相应的疲劳裂纹扩展寿命。将基于三维裂纹扩展模型 模拟得到的半椭圆表面裂纹在纯弯曲和纯拉伸载荷下的扩展行 为和已有文献中的试验结果进行了对比,两者吻合较好,说明了 该模型能够有效预测拉伸、弯曲以及拉弯组合载荷下半椭圆表 面裂纹的疲劳扩展行为。
标准疲劳试验得到的裂纹扩展速率曲线依赖于试样厚度和应力 比。为了得到只和材料本身相关的疲劳性能参数,采用疲劳裂纹 闭合模型中提出的有效应力强度因子的概念,对不同试样厚度、 不同应力比下的裂纹扩展曲线进行处理,将这些曲线统一到同一 条曲线上,从而得到只和材料本身相关的疲劳性能参数。
对2.3 mm厚的2024-T3铝合金试样在应力比分别为0.05和-1的情 况下的疲劳裂纹扩展进行了预测,并分析了应力比和试样厚度对 疲劳裂纹扩展的影响。2.根据三维疲劳断裂理论和条带屈服模 型,采用三维条带屈服模型计算裂纹闭合效应。