考虑厚度影响的时间积分裂纹扩展模型研究

发布时间：2020-08-27 17:27

【摘要】：疲劳损伤是工程实际中金属构件最常见的失效形式之一,对于具有厚板结构特征的工程装备如隧道掘进机、起重机及压力容器等,在重载冲击载荷作用下往往会产生裂纹萌生与扩展,裂纹扩展最终造成了构件的疲劳断裂,影响施工效率甚至带来安全隐患。厚度是影响裂纹扩展的关键因素,变幅载荷是裂纹扩展的驱动力,综合考虑板厚及变幅载荷影响,建立变幅载荷作用下的裂纹扩展模型对于实际工程构件疲劳裂纹扩展寿命预测具有重大意义。本文针对裂纹扩展寿命预测,通过理论推导、试验研究等方式开展了相关研究,具体工作内容如下:(1)通过引入约束因子求解了过渡应力状态影响的裂纹张开位移与裂纹尖端塑性区,表征了裂纹扩展的厚度效应,结合常幅及变幅载荷下的裂纹张开应力求解,建立了考虑厚度效应的时间积分裂纹扩展理论模型。此外,基于试样疲劳试验结果,拟合求解了Q345D约束因子表达式,为Q345D厚板疲劳裂纹扩展寿命预测奠定了基础。(2)开展了变幅载荷作用下不同厚度Q345D试样疲劳裂纹扩展试验,同时基于时间积分裂纹扩展模型对试样裂纹扩展寿命进行理论预测,三种厚度试样试验结果与预测寿命结果在前6万次循环中表现出良好的一致性,在9万次循环内最大误差为10.6%,验证了时间积分裂纹扩展预测模型的有效性。此外,探究了裂纹张开角、初始裂纹及临界裂纹等模型参数对裂纹扩展的影响。(3)利用Zencrack断裂仿真软件进行Q345D试样裂纹扩展仿真,求解试样裂纹扩展过程中的动态应力强度因子幅,结合Elber模型、Newman模型及Guo模型等传统断裂力学模型进行试样裂纹扩展寿命理论预测,对比分析了时间积分裂纹扩展模型与传统断裂力学模型对于疲劳寿命预测的准确性与优劣势,为工程实际构件裂纹扩展寿命预测模型选用提供参考。(4)针对工程实际隧道掘进机(TBM)刀盘,开展了刀盘特征子结构疲劳裂纹扩展试验,探究时间积分裂纹扩展模型对于TBM刀盘面板疲劳裂纹扩展寿命预测的适用性,理论预测与试验结果最大误差为16%。最后,运用时间积分裂纹扩展模型对某具体工程TBM刀盘面板进行裂纹扩展疲劳寿命预测。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U455.3

【参考文献】