5E62铝合金疲劳裂纹扩展行为的有限元模拟

发布时间：2017-05-02 02:12

  本文关键词：5E62铝合金疲劳裂纹扩展行为的有限元模拟，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：飞机蒙皮占整机结构重量的50%以上,需要承受复杂的气动载荷作用,是现代飞机损伤容限设计重点关注的构件。聂祚仁课题组自主研发的5E62铝合金,主要应用于飞机蒙皮材料,其强度和耐损伤性能具有较高的匹配程度。采用实验与数值模拟相结合的方式对材料疲劳破坏过程进行预测,可以大量节约人力、物力和财力,是工程应用中预防疲劳破坏的发生好方法。使用XFEM方法对5E62-O铝合金MT试样疲劳裂纹扩展路径及扩展过程中裂纹尖端应力场分布、应力强度因子KI和疲劳裂纹扩展速率进行了模拟计算。模拟结果表明裂纹扩展路径与实验一致,均垂直于应力加载方向沿直线扩展;XFEM方法计算的Paris区疲劳裂纹扩展速率与理论值和实验值均有较好的一致性,疲劳裂纹扩展速率随?K值的增加近似线性增长。使用XFEM方法计算半裂纹长度从4.5mm到26.5mm的KI值与理论值比较接近,最大误差为8.9%。模拟计算获得的稳态扩展区间裂纹长度为5.8~24.5mm,与实验获得的Paris区间裂纹长度误差分别为22.4%和16.3%。通过调用ABAQUS率相关用户材料子程序建立晶体塑性有限元模型,计算单/双织构裂纹尖端应力分布、裂纹尖端张开位移和J积分,探究取向对裂纹扩展的影响。Cube和S织构裂纹尖端塑性区、S22、CTOD和J积分均小于Goss和Brass织构,应力释放区域则反之;Cube织构Mises等效屈服应力、CTOD和J积分最小,S织构裂纹尖端的Mises最大,但其他两个方向分担了一部分的应力,使得对裂纹扩展起主要作用的S22保持较低的水平,Goss织构的塑性区和J积分最大,Brass织构的CTOD最大。由此说明Cube和S织构具有较强的抵抗裂纹扩展的能力,Goss和Brass织构具有较差的抵抗裂纹扩展的能力。双织构的裂纹尖端塑性区、Mises、S22和CTOD值相比较单织构而言均有所降低,说明双织构比单织构具有较强的抵抗裂纹扩展的能力;Cube-X双织构的CTOD、J积分和S22在最低水平,S-X双织构的CTOD、J积分和S22处在第二低水平;Cube-S织构的裂纹尖端塑性区、S22和J积分最小,Brass-Goss织构裂纹尖端塑性区、S22应力、CTOD和J积分均为最大。由此说明含Cube织构具有较强的抵抗裂纹扩展的能力,含Brass织构具有较差的抵抗裂纹扩展的能力。通过数值手段模拟5E62疲劳裂纹的扩展行为,对实验具有一定的指导意义。
【关键词】：5E62 疲劳裂纹扩展 扩展有限元(XFEM) 晶体塑性有限元(CPEM)
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.21
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 本文的研究背景9-10
• 1.2 飞机蒙皮的疲劳与断裂10-13
• 1.2.1 疲劳研究内容10
• 1.2.2 飞机结构的损伤容限10-11
• 1.2.3 裂纹扩展分析11-13
• 1.3 裂纹扩展有限元模拟的研究现状13-15
• 1.4 本文的研究意义及主要内容15-17
• 第2章 试验研究及有限元模拟方法17-27
• 2.1 实验分析过程17-19
• 2.1.1 实验材料17-18
• 2.1.2 力学分析方法18-19
• 2.1.3 微观组织观察19
• 2.2 有限元模拟方法19-27
• 2.2.1 有限元法19
• 2.2.2 扩展有限元法基本原理19-21
• 2.2.3 晶体塑性有限元理论概述21-27
• 第3章 断裂力学基本理论27-33
• 3.1 裂纹面开裂类型27-28
• 3.2 应力强度因子28-30
• 3.3 裂纹尖端张开位移30-31
• 3.4 J积分理论31-33
• 第4章 5E62宏观板材疲劳裂纹扩展过程有限元模拟33-47
• 4.1 模型的建立33-35
• 4.1.1 模型的材料参数33-34
• 4.1.2 有限元模型及边界条件34-35
• 4.2 数值模拟结果分析35-44
• 4.2.1 疲劳裂纹扩展路径35-36
• 4.2.2 裂纹尖端应力分布36-38
• 4.2.3 应力强度因子K38-44
• 4.2.4 疲劳裂纹扩展速率44
• 4.3 本章小结44-47
• 第5章 不同织构中裂纹扩展的有限元模拟47-57
• 5.1 织构有限元模型的建立47-48
• 5.1.1 模型的材料参数47
• 5.1.2 有限元模型及边界条件47-48
• 5.2 数值模拟结果分析48-55
• 5.2.1 应力分布48-52
• 5.2.2 裂纹尖端张开位移52-53
• 5.2.3 J积分53-55
• 5.3 本章小结55-57
• 结论57-59
• 参考文献59-63
• 攻读硕士期间发表的论文63-65
• 致谢65

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 陈锡栋;杨婕;赵晓栋;范细秋;;有限元法的发展现状及应用[J];中国制造业信息化;2010年11期

2 刘剑;刘晓波;冯发强;;基于扩展有限元法对含孔洞平板多裂纹扩展模拟研究[J];失效分析与预防;2013年06期

  本文关键词：5E62铝合金疲劳裂纹扩展行为的有限元模拟，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：340106