原文传递
考虑厚度效应的裂纹尖端张开应力研究
| 论文题名： | 考虑厚度效应的裂纹尖端张开应力研究 |
| 关键词： | 船舶结构物;裂纹扩展;张开应力;厚度效应 |
| 摘要： | 随着船舶设计和建造水平的发展，疲劳与断裂成为船舶与海洋工程结构物常见的失效形式。在循环载荷下裂尖会进入屈服，随裂纹扩展在裂纹面形成塑性区尾迹。塑性区尾迹会使裂纹扩展时产生裂纹闭合现象，而裂纹闭合理论认为循环载荷中只有裂纹完全张开的部分才对扩展有贡献，因此张开应力是影响裂纹扩展速率的关键参量。在工程中准确预测含裂纹损伤结构的疲劳寿命，定量计算张开应力是有待解决的关键问题。已有的张开应力研究中，解析法需要基于一些理论假设，多为平面条件下得到；实验法总结出的经验公式只能应用于对应的载荷和材料，工程中应用需要大量实验来获取参数；而数值模拟法大多需要对裂纹尖端场进行计算，计算成本高昂。现有的张开应力模型应用于工程中时具有很大的局限性，且不能定量考虑厚度的影响。本文使用远离裂尖的参数板中面最大张口位移幅值，通过断裂力学分析、三维弹塑性有限元分析和数据验证三种方法，对考虑厚度效应的裂纹张开应力进行了研究。 首先通过理论分析推导了板中面处最大张口位移幅值和张开应力之间的关系。在恒幅拉伸载荷条件下，基于数值计算的结果建立了二者之间的计算模型。然后通过系列的有限元计算研究了不同板厚、载荷峰值、裂纹长度、屈服强度、杨氏模量、载荷应力比和幂硬化指数对模型的影响。基于裂纹闭合理论，以最大张口位移幅值为参数计算张开应力并得到有效应力强度因子幅值，预测裂纹扩展速率并与实验数据进行比较，二者一致证明了张开应力计算的准确性。以有效应力强度因子幅值描述不同厚度试件的疲劳裂纹扩展速率，数据可以汇聚到单一曲线上，为工程中考虑厚度影响评估裂纹张开应力并预测裂纹扩展速率提供参考。 最后在恒幅拉压载荷条件下，定量研究了压载荷对板中面张开应力的影响。结合先前建立的模型，提出了以最大张口位移为主要参量的张开应力计算模型。通过系列的有限元计算研究了拉压载荷峰值、裂纹长度、屈服强度、杨氏模量和幂硬化指数对模型的影响，并观测了包辛格效应对裂纹闭合的影响。以最大张口位移为主要参量计算张开应力进而得到有效应力强度因子幅值，可以使不同非正应力比或不同试件厚度的实验数据凝聚到单一曲线上，为工程中考虑厚度快速评估裂纹张开应力提供参考。 本文建立的板中面处由最大张口位移幅值计算张开应力的计算模型，可以为工程中考虑厚度影响快捷地计算张开应力并预测疲劳裂纹扩展寿命提供参考。 |
| 作者： | 陈彦先 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 陈景杰 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
检索历史
应用推荐
