喷丸残余应力对裂纹扩展疲劳寿命影响的数值模拟研究

发布时间：2018-11-18 18:16

【摘要】：构件在循环载荷作用下将产生微裂纹,导致其强度、刚度等的下降,微裂纹积累到一定程度就会形成扩展裂纹,最终造成疲劳断裂破坏。工程实际中绝大多数金属零部件在循环变化的载荷下工作,据统计各类机件破坏总数的80%-90%都是由疲劳断裂引起的。掌握裂纹扩展一般规律及控制裂纹的扩展非常重要且很有必要,如何阻碍金属构件中裂纹扩展从而避免疲劳断裂破坏的发生,以及提高受损件的安全寿命,是工程实践中避免灾难性事故急需解决的问题。本文基于疲劳断裂理论,借助于ABAQUS软件采用数值模拟的方法,对试样裂纹扩展疲劳寿命进行了预测及验证,在此基础上讨论了喷丸强化处理对裂纹扩展疲劳寿命的影响,主要研究内容如下：(1)为预测裂纹扩展疲劳寿命,基于虚拟裂纹闭合技术(VCCT)计算界面单元内裂尖的断裂能释放率,并通过断裂准则控制开裂,采用直接循环法得到循环载荷作用下低周疲劳计算的稳定响应。为了加速低周疲劳分析,采用了损伤插值技术,即一定循环次数后沿界面在裂尖处向前释放至少一个单元长度。(2)为预测喷丸强化对裂纹扩展疲劳寿命的影响,上述基于线弹性断裂力学的预测方法已不再适用,采用基于塑性诱导裂纹闭合理论的疲劳寿命预测方法。选取合适的材料塑性强化模型,并通过用户子程序SIGINI添加喷丸残余应力作为受喷试样的初始应力。通过该有限元模型求解出每个裂纹扩展步的裂纹张开力,从而求出有效应力强度因子,进而预测裂纹扩展的疲劳寿命。通过预测结果与实验结果的对比,验证了所建模型与疲劳寿命预测方法的正确性。(3)基于上述正确有效的模型与研究方法,在不同裂尖最小单元尺寸、不同应力比、不同初始裂纹长度及不同喷丸工艺条件下,讨论受喷与未喷试样的裂纹闭合效应及裂纹扩展疲劳寿命,分析各因素的一般影响规律及影响程度,为实际工程应用提供有益的指导作用。
[Abstract]:Microcracks will be produced under cyclic loading, which will lead to the decrease of strength and stiffness, and the accumulation of microcracks to a certain extent will lead to the formation of propagating cracks, which will eventually lead to fatigue fracture failure. In engineering practice, most metal parts work under cyclic load. According to statistics, 80% -90% of the total damage of all kinds of machine parts is caused by fatigue fracture. It is very important and necessary to master the general law of crack growth and to control the crack growth. How to prevent the crack growth in metal members and to avoid fatigue fracture failure, and to improve the safety life of damaged parts, is very important and necessary. It is an urgent problem to avoid catastrophic accidents in engineering practice. Based on the theory of fatigue fracture, the fatigue life of specimen is predicted and verified by numerical simulation with the help of ABAQUS software, and the effect of shot peening treatment on fatigue life of crack propagation is discussed. The main research contents are as follows: (1) in order to predict the fatigue life of crack propagation, the fracture energy release rate of the crack tip of the interface element is calculated based on the virtual crack closure technique (VCCT), and the crack is controlled by the fracture criterion. The steady response of low cycle fatigue calculation under cyclic load is obtained by direct cycle method. In order to accelerate the low cycle fatigue analysis, damage interpolation technique is used, that is, at least one unit length is released forward along the interface along the crack tip after a certain number of cycles. (2) in order to predict the effect of shot peening on the fatigue life of crack propagation, The above prediction method based on linear elastic fracture mechanics is no longer applicable. The fatigue life prediction method based on plastic induced crack closure theory is used. A suitable material plastic strengthening model was selected and the residual stress of shot peening was added as the initial stress of the sprayed specimen by the user subroutine SIGINI. The crack opening force of each crack growth step is solved by the finite element model, and the effective stress intensity factor is obtained, and the fatigue life of crack propagation is predicted. By comparing the prediction results with the experimental results, the correctness of the proposed model and the fatigue life prediction method is verified. (3) based on the above correct and effective models and research methods, the minimum element size and the different stress ratio of different crack tip are obtained. Under different initial crack length and different shot peening process conditions, the crack closure effect and crack propagation fatigue life of sprayed and unsprayed samples are discussed, and the general influence law and influence degree of each factor are analyzed. It provides useful guidance for practical engineering application.
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG668

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本文编号：2340768