多晶体内疲劳裂纹的多尺度扩展模型

发布时间：2020-04-23 06:29

【摘要】：多晶体材料的失效行为大多属于疲劳失效,由疲劳失效导致的断裂是发生严重事故的重要原因之一。近年来,国内外学者基于疲劳裂纹扩展的微观损伤断裂机理和宏观力学理论,对多晶体材料进行了大量研究,提出了一系列的疲劳裂纹扩展理论模型,但均未将在循环拉压载荷作用下裂尖钝化后,裂纹突然扩展的过程给出合理精确的解释。本文在前人的研究基础上,以有限元软件ABAQUS为分析平台,根据张开型疲劳裂纹扩展过程中裂尖的钝化与钝化后突然扩展的特性,进行疲劳裂纹扩展行为的仿真研究,得出结论如下:以粗晶不锈钢圆棒试样为研究对象,基于虚拟裂纹闭合技术(VCCT)和扩展有限元方法(XFEM),建立了含裂纹圆棒的有限元模型。仿真结果表明,两种方法都可以用来计算模拟裂纹扩展规律,但相比于VCCT,XFEM不需要预制裂纹路径就能模拟裂纹任意方向的扩展情况,网格划分简单,结果较精确。由于在疲劳裂纹扩展过程中静载荷作用下的损伤模型裂尖不存在钝化现象,疲劳循环载荷下的损伤模型裂尖虽然存在钝化现象但是无法合理精确解释裂尖钝化后突然扩展的这一过程。两种模型均不能独立准确的模拟疲劳裂纹扩展规律,因此提出一种猜想,认为,当疲劳裂纹尖端连续扩展时,裂纹尖端材料的失效由疲劳损伤中的材料非弹性迟滞机理控制,假设,在疲劳载荷作用下裂尖发生钝化,如果继续加载,裂纹尖端材料的失效过程相当于在静载荷作用下的疲劳失效过程,裂尖材料的失效行为遵循静载荷作用下的材料损伤准则。当疲劳裂纹尖端不连续扩展时,表现为裂纹尖端钝化,经过M次疲劳载荷循环后,我们猜测,钝化区材料的失效由静载荷作用下的最大主应力控制,假设上述两种材料损伤机理交替控制着疲劳裂纹尖端的实际扩展行为。根据此猜想,尝试发展了一种具有混合式损伤机理的疲劳裂纹扩展模型。旨在通过这种具有混合损伤机理的CAE模型,借用数值计算手段,提出一种预测疲劳裂纹扩展寿命的仿真计算方法,以期在工程应用中提高疲劳寿命预测精度。采用疲劳分析的多尺度计算方法,分别对疲劳裂纹扩展临近区域和裂尖单元建立子模型和子子模型。数值结果表明:通过与全局模型的对比,引入子模型技术模拟疲劳裂纹扩展结果更精确高效,子子模型的引入提高了XFEM对裂尖单元描述的精确度。通过全局模型到子模型再到子子模型的建立,实现了多晶体材料在相邻尺度上力学信息和行为的衔接、转换与继承,为多晶体材料从宏观到细观的外部载荷继承,同时为细观到宏观的裂尖扩展行为上传提供了数值模拟方法。
【图文】：

图 2.1 log da dN K曲线图扩展的微观规律表明，疲劳裂纹扩展可以分为两个阶段，疲劳裂纹萌许多韧性材料中已经观察到，当裂纹尺寸小于几个晶移系统，疲劳裂纹沿主滑移面扩展，这一阶段称为裂槛疲劳区图 2.1 中的Ⅰ区对应，在该区域范围内应力裂纹尖端明显的塑性变形，塑性区尺寸一般小于晶粒展，断口呈现解理小平面，当塑性区尺寸远大于晶粒裂模式，疲劳裂纹扩展的宏观路径大体上垂直于拉伸劳裂纹扩展的第二阶段为稳态扩展区，与图 2.1 中的劳破坏过程划分为：疲劳成核-微观裂纹生长-宏观纹是导致断裂的必要条件。裂纹扩展力学条件性断裂理论的观点，理想裂纹尖端半径 为零。但是

图 2.2 两个水平集表示空间裂纹 x,t和函数 x,t相互垂直，即 0。 x,t称平集。裂纹前缘与裂纹面用下式给出： 与裂纹不相交裂纹前缘裂纹,0,,0,,0,,0,,0,xtxtxtxtxt 可以用形函数逼近，，表达式如下：IIIIIINN 为有限元形函数，I 和I 均为节点处符号函数值。裂函数值描述。形函数=IN 可以和位移逼近函数的形函数
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O346.1

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本文编号：2637453