γ-TiAl合金缺陷对主裂纹作用机理研究

发布时间：2017-10-03 10:11

  本文关键词：γ-TiAl合金缺陷对主裂纹作用机理研究

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【摘要】：微裂纹和微孔洞被认为是两种对材料疲劳寿命影响较大的缺陷,在复杂外载荷作用下,这些缺陷附近会产生较大的应力集中,并且容易萌生疲劳裂纹。此外,微裂纹、微孔洞缺陷还会影响疲劳裂纹的扩展路径。本文以γ-TiAl合金为研究对象,基于XFEM法建立了含微裂纹、微孔洞缺陷细观尺度下的主裂纹模型,分别研究了共线单微裂纹与偏置双微裂纹缺陷对主裂纹裂尖应力强度因子的影响,以及不同位置和不同取向的微椭圆孔对主裂纹裂尖应力强度因子的影响,模拟了偏置微裂纹影响下主裂纹的扩展路径,取得如下研究成果:1、研究了共线单微裂纹与主裂纹之间的相互作用。采用扩展有限元法建立了水平共线的单微裂纹与主裂纹模型,模拟不同位置的单微裂纹与主裂纹之间的相互作用。研究结果表明:共线的单微裂纹对主裂纹裂尖应力场的作用表现为短距效应(距离越短作用越强烈),而距离较远时作用不明显。2、研究了偏置双微裂纹对主裂纹裂尖应力强度因子的影响,分析了双微裂纹对主裂纹裂尖应力强度因子的影响的机理。研究结果表明:在水平方向双微裂纹对主裂纹裂尖应力强度因子的影响随微裂纹位置的变化呈现等幅值的周期性波动,且这种等幅值波动是由微裂纹对主裂纹的增强与屏蔽作用所导致;微裂纹距离主裂纹裂尖越近影响越大,而距离越远则影响很小。3、研究了不同位置和取向的微椭圆孔对主裂纹裂尖应力强度因子的影响,分析了其影响机理。研究结果表明:微椭圆孔对主裂纹的作用效应与其相对主裂纹的位置和自身取向有关,随微裂纹位置和自身取向的变化,微椭圆孔对主裂纹裂尖的作用效应表现为增强作用和屏蔽效应,且增强作用和屏蔽效应可以同时存在。4、研究了偏置位置的单微裂纹对主裂纹扩展路径的影响。研究结果表明:单边偏置微裂纹的存在改变了中心主裂纹的扩展方向,使得裂纹扩展偏向微裂纹一侧,并降低了中心主裂纹的扩展速率;随偏置距离的增加,主裂纹的扩展偏转角逐渐减小,而扩展速率增加。
【关键词】：γ-TiAl合金 扩展有限元法 微裂纹 微孔洞 应力强度因子
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.23
【目录】：

• 摘要8-9
• Abstract9-13
• 第1章 绪论13-24
• 1.1 课题背景13
• 1.2 γ-TiAl合金概述13-17
• 1.2.1 γ-TiAl合金性能介绍13-14
• 1.2.2 γ-TiAl合金国内外研究进展14-16
• 1.2.3 γ-TiAl合金断裂问题研究现状16-17
• 1.3 研究问题的提出17-18
• 1.4 有限元方法在裂纹问题研究上的进展18-20
• 1.4.1 传统有限元方法模拟裂纹问题19
• 1.4.2 扩展有限元方法模拟裂纹问题19-20
• 1.5 扩展有限元法(XFEM)模拟裂纹问题研究现状20-21
• 1.6 本文研究目的及主要内容21-22
• 1.6.1 选题目的和意义21-22
• 1.6.2 主要研究内容22
• 1.7 本文的特色与创新22-24
• 第2章 扩展有限元理论24-28
• 2.1 扩展有限元法(XFEM)基本原理24-26
• 2.1.1 单位分解法24-25
• 2.1.2 水平集法25
• 2.1.3 位移模式25-26
• 2.2 扩展有限元模拟断裂问题26-27
• 2.2.1 ABAQUS断裂力学问题模拟方法26-27
• 2.2.2 ABAQUS中四种模拟裂纹技术的方法27
• 2.3 本章小结27-28
• 第3章 微裂纹对主裂纹裂尖应力强度因子的影响28-40
• 3.1 共线单微裂纹对主裂纹的影响29-32
• 3.1.1 空间尺度29
• 3.1.2 模型的建立29-30
• 3.1.3 载荷与边界条件30
• 3.1.4 网格处理30-31
• 3.1.5 仿真结果与讨论31-32
• 3.2 单边偏置双微裂纹对主裂纹的影响32-38
• 3.2.1 模型的建立与参数的设定32-33
• 3.2.2 仿真结果33-35
• 3.2.3 双微裂纹对主裂纹裂尖场在水平方向的作用效应机理35-37
• 3.2.4 双微裂纹对主裂纹裂尖场在偏置方向的作用效应机理37-38
• 3.3 本章小结38-40
• 第4章 孔洞对主裂纹裂尖应力强度因子的影响40-50
• 4.1 微椭圆孔对主裂纹裂尖作用效应模型的建立41-42
• 4.1.1 微椭圆孔模型的建立41
• 4.1.2 微孔洞与主裂纹模型的建立41
• 4.1.3 边界条件与网格处理41-42
• 4.2 仿真结果42-44
• 4.2.1 不同取向的椭圆孔对主裂纹裂尖作用效应模拟结果43
• 4.2.2 不同位置的椭圆孔对主裂纹裂尖作用效应模拟结果43-44
• 4.3 讨论44-48
• 4.3.1 不同取向的椭圆孔对主裂纹裂尖作用效应机理讨论44-47
• 4.3.2 不同位置的椭圆孔对主裂纹裂尖作用效应机理讨论47-48
• 4.4 本章小结48-50
• 第5章 裂纹扩展过程仿真50-60
• 5.1 裂纹扩展模型的建立51-53
• 5.1.1 几何模型的建立51
• 5.1.2 定义材料和截面属性51
• 5.1.3 分析步设置51-52
• 5.1.4 模型装配与XFEM裂纹的定义52-53
• 5.1.5 载荷、边界条件与网格处理53
• 5.2 单边偏置微裂纹与中心主裂纹扩展过程分析53-57
• 5.2.1 裂纹扩展仿真结果53-55
• 5.2.2 裂纹扩展机理讨论55-57
• 5.3 不同偏置位置的微裂纹与中心主裂纹扩展过程分析57-58
• 5.3.1 偏置位置l /a =6 时的扩展轨迹57
• 5.3.2 偏置位置l /a =8 时的扩展轨迹57-58
• 5.3.3 偏置位置l /a =10时的扩展轨迹58
• 5.4 本章小结58-60
• 总结与展望60-62
• 总结60
• 展望60-62
• 参考文献62-68
• 致谢68-69
• 附录A 攻读硕士学位期间所发表论文69

【参考文献】

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本文编号：964596