基于体视学的材料疲劳寿命预报方法研究

发布时间：2017-10-15 07:46

  本文关键词：基于体视学的材料疲劳寿命预报方法研究

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【摘要】：铸造铝合金因具有浇注性能好、比强度高、生产成本低等优点,而被广泛应用于各个领域。由于其生产工艺特点,材料内部微孔洞缺陷通常难以避免,对于材料及构件疲劳裂纹萌生及疲劳寿命产生重要影响。基于孔洞缺陷进行材料或构件疲劳性能研究是当前疲劳研究领域的热点之一。本文着眼于铸造铝合金表面微孔洞缺陷,利用体视学方法还原材料内部微孔洞三维信息,结合有限元分析,进行孔洞为主要缺陷的铸造铝合金材料疲劳寿命预报方法的研究。以铸造Al-Zn713合金为孔洞属于主要缺陷的铸造铝合金材料的代表,本文采用金相实验和图像分析技术,研究了铸造Al-Zn713合金材料表面的微孔洞断面,获得了材料微孔洞断面形貌规律,并进一步统计分析了微孔洞断面二维尺寸分布及其规律。基于由实验得到的铸造Al-Zn713合金微孔洞断面二维尺寸分布数据,利用体视学方法重建了微孔洞空间三维尺寸分布,得到了微孔三维尺寸服从2参数lognormal的分布规律,并对重建结果的精度进行了验证。此外,通过统计学手段及重建的微孔缺陷尺寸分布,研究了易导致疲劳裂纹萌生的危险孔洞,得到了综合考虑孔洞尺寸及深度位置作用下,微孔洞对疲劳裂纹萌生的影响规律。根据重建的Al-Zn713合金微孔洞三维尺寸分布及危险孔洞分析结果,建立考虑材料微孔洞缺陷的弹塑性有限元分析模型,对微孔周围的应力、应变进行了分析,并确定了微孔裂纹萌生弧,得到相应的塑性剪切应变响应;基于有限元分析结果,结合修正的Coffin-Manson公式对材料的疲劳裂纹萌生寿命进行了预报。预报中,考虑孔洞尺寸、位置、不同应力水平对疲劳寿命的影响,估算了材料疲劳裂纹萌生寿命,得到了Al-Zn713合金材料疲劳裂纹萌生寿命上/下限S-N曲线及疲劳寿命、疲劳强度范围,估算结果与已有文献实验数据基本吻合。本文建立的“孔洞缺陷三维尺寸重建—有限元分析—疲劳寿命分析及预报”方法为研究孔洞为主要缺陷的铸造铝合金材料的疲劳寿命预报提供了新途径。
【关键词】：疲劳寿命 微孔洞 体视学 金相实验 铸造铝合金
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.21
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 引言10
• 1.2 材料疲劳寿命预报方法国内外研究概况10-13
• 1.2.1 材料疲劳寿命预报方法10-12
• 1.2.2 基于孔洞缺陷的材料疲劳寿命研究现状12-13
• 1.3 体视学方法研究及其应用概况13-15
• 1.3.1 孔洞三维重构方法13-14
• 1.3.2 体视学重建粒子三维尺寸分布方法的研究概况14
• 1.3.3 体视学重建粒子三维尺寸分布方法在材料中的应用14-15
• 1.4 研究背景15-16
• 1.5 本课题研究目的意义及内容16-18
• 1.5.1 课题研究目的和意义16-17
• 1.5.2 研究内容17-18
• 第2章 疲劳寿命预报和体视学相关理论18-24
• 2.1 材料疲劳寿命预报相关理论基础18-20
• 2.1.1 修正的Coffin-Manson公式18
• 2.1.2 弹塑性理论18-20
• 2.2 体视学重建粒子三维尺寸分布的原理及方法20-23
• 2.2.1 体视学概述20
• 2.2.2 体视学重建粒子三维尺寸分布的基本原理20-22
• 2.2.3 体视学重建粒子三维尺寸分布的方法22-23
• 2.3 本章小结23-24
• 第3章 AL-ZN713合金微孔洞金相实验研究24-33
• 3.1 实验目的24
• 3.2 实验方案24
• 3.3 实验内容24-29
• 3.3.1 实验材料和设备24-25
• 3.3.2 试样制备25
• 3.3.3 金相制备25-26
• 3.3.4 金相观察及图像获取26-28
• 3.3.5 图像处理及分析28-29
• 3.4 实验结果提取及初步分析29-32
• 3.4.1 微孔洞断面形貌29
• 3.4.2 微孔洞数目及尺寸29-31
• 3.4.3 实验微孔洞断面数量的统计性分析31-32
• 3.5 本章小结32-33
• 第4章 体视学重建孔洞三维尺寸分布研究33-60
• 4.1 体视学重建孔洞三维尺寸分布方法及操作研究33-49
• 4.1.1 体视学方法的比较33-35
• 4.1.2 尺寸分布修正方式对重建孔洞三维尺寸分布的影响35-42
• 4.1.3 尺寸分组数量对重建孔洞三维尺寸分布的影响42-45
• 4.1.4 截面数量对重建孔洞三维尺寸分布的影响45-49
• 4.2 基于体视学的微孔洞三维尺寸分布重建49-54
• 4.2.1 微孔洞三维尺寸分布重建49-52
• 4.2.2 微孔洞三维尺寸分布重建结果精度验证52-54
• 4.3 易导致疲劳裂纹萌生的危险微孔分析54-58
• 4.3.1 微孔断面尺寸分布54
• 4.3.2 微孔对应的深度位置及空间微孔尺寸分析54-58
• 4.4 本章小结58-60
• 第5章 含微孔缺陷的材料有限元分析及疲劳寿命预报60-68
• 5.1 有限元模型的建立60-63
• 5.1.1 假设条件60
• 5.1.2 考虑微孔缺陷的材料有限元模型60-63
• 5.2 弹塑性有限元分析63-64
• 5.3 材料疲劳寿命预报64-67
• 5.4 本章小结67-68
• 结论68-70
• 参考文献70-76
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果76-77
• 致谢77-78
• 作者简介78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 张杰;陈继志;冯刚宪;;铸件中孔洞缺陷对疲劳性能影响的研究进展[J];材料开发与应用;2011年05期

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本文编号：1035941