● 摘要
工程实际中，疲劳裂纹通常是处于复合型加载条件下，形成两种或三种裂纹模式。研究复合载荷下疲劳裂纹扩展规律，预测结构的裂纹扩展寿命，对进行相关损伤容限设计，保障结构在设计使用的寿命内的安全运行，有着重要意义。通过对疲劳裂纹扩展模型的研究，建立了含裂纹典型结构体的裂纹扩展模拟的流程，利用有限元软件ABAQUS，编写命令流程序，分别实现了复合型二维线型裂纹以及I型三维表面裂纹结构的疲劳裂纹连续扩展的模拟，分析了裂纹扩展规律，并预测了裂纹扩展寿命。论文主要研究内容如下：1）鉴于应力强度因子的计算精度依赖于有限元网格的划分，研究了裂纹区域网格划分对应力强度因子计算的影响，在此基础上，分别计算了二维线型裂纹应力强度因子和三维表面裂纹应力强度因子，并与理论经验值进行了对比分析。2）针对复合载荷下二维疲劳裂纹扩展问题，以典型的带中心斜裂纹的矩形板为例，开发了建模与分析的命令流程序，实现疲劳裂纹的连续扩展模拟。对不同初始裂纹倾斜角的情况进行了扩展模拟及寿命预测，并做了对比分析。另外，通过对裂纹扩展路径的分析，提出了一种直线假设法来预测裂纹扩展寿命。3）对于I型加载下的半椭圆表面裂纹扩展的三维问题，开发命令流程序，在ABAQUS中建立裂纹体有限元模型，实现参数化、模块化建模，实现其疲劳裂纹连续扩展的模拟；对疲劳裂纹扩展的变化规律进行了有限元计算分析，并与经验结果进行了对比；对裂纹扩展寿命进行了预测，结果与实验值吻合。4）对复合型表面裂纹的三维问题，以拉伸载荷下的倾斜半椭圆裂纹为例，通过模块化建模及后处理程序给出了随裂纹面倾斜角变化的裂纹前缘应力强度因子的分布规律；通过引入假设条件，对倾斜表面裂纹扩展情况进行简化，为其数值模拟提供思路。