疲勞裂紋擴(kuò)展研究及在裝載機(jī)橫梁壽命估算中的應(yīng)用.pdf

1、結(jié)構(gòu)和機(jī)械的疲勞是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，疲勞研究是一個(gè)存在大量經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律和相互矛盾觀點(diǎn)的研究領(lǐng)域。因?yàn)橛绊懖牧掀趶?qiáng)度和壽命的因素很多，而且絕大多數(shù)影響因素目前還無(wú)法很好地從物理模型及數(shù)學(xué)模型上給予合理的定量描述，加之試驗(yàn)條件與實(shí)際應(yīng)用條件之間存在較大差異，因此盡管研究已積累了大量理論成果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，仍然無(wú)法對(duì)疲勞強(qiáng)度和壽命問(wèn)題做出比較通用而且比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和分析。一方面，實(shí)際工程應(yīng)用在疲勞研究指導(dǎo)下采取相關(guān)措施確實(shí)能有效防止疲勞破壞，但

2、另一方面，使用的指導(dǎo)方針對(duì)不同應(yīng)用甚至同樣應(yīng)用卻仍然無(wú)法阻止疲勞破壞案例的發(fā)生。這說(shuō)明疲勞問(wèn)題不論從理論上還是在實(shí)踐中都沒(méi)有完全解決。隨著現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展多樣性和節(jié)奏加快的需求，疲勞問(wèn)題越來(lái)越成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。本文研究了工程機(jī)械構(gòu)件的疲勞問(wèn)題。工程機(jī)械是人類(lèi)社會(huì)應(yīng)用廣泛的重要工具之一，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了越來(lái)越高的要求，不僅要求有較高的承載力，減少原材料的使用，還要求結(jié)構(gòu)有較高的疲勞壽命。因此，世界

3、上發(fā)達(dá)國(guó)家都極為重視并開(kāi)展工程機(jī)械強(qiáng)度評(píng)定、疲勞壽命估算和疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)等方面的研究。利用現(xiàn)有理論進(jìn)行構(gòu)件疲勞強(qiáng)度分析、破壞預(yù)防和計(jì)算剩余壽命，常常與構(gòu)件的具體形貌以及所處工況環(huán)境密切相關(guān)，計(jì)算分析的思路及使用的具體方法也相差很大，因而非常有必要對(duì)實(shí)際工程構(gòu)件的疲勞問(wèn)題進(jìn)行研究。
　　 本文以實(shí)際工程機(jī)械構(gòu)件疲勞破壞為背景開(kāi)展構(gòu)件疲勞壽命研究，主要以疲勞裂紋擴(kuò)展理論為基礎(chǔ)，研究疲勞裂紋擴(kuò)展的宏觀機(jī)理，提出疲勞裂紋擴(kuò)展的改進(jìn)公式，從

4、有利于實(shí)際操作出發(fā)對(duì)公式中重要物理量進(jìn)行研究，并提出了相應(yīng)的計(jì)算公式；本論文結(jié)合實(shí)際工程構(gòu)件的工作循環(huán)進(jìn)行有限元模擬，對(duì)構(gòu)件各種工況下的力學(xué)場(chǎng)量進(jìn)行分析，得出疲勞壽命研究所需的應(yīng)力分布載荷譜；本文提出規(guī)范化的疲勞分析技術(shù)路線，在分析中分別采用目前比較流行的理論公式以及本文建立的公式對(duì)具體工程構(gòu)件進(jìn)行疲勞壽命分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比比較。本文還針對(duì)影響疲勞裂紋擴(kuò)展因素多樣復(fù)雜的特點(diǎn)，對(duì)構(gòu)件疲勞壽命進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立計(jì)算機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)疲勞壽命進(jìn)

5、行評(píng)估分析。具體說(shuō)來(lái)，本文工作結(jié)果表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：總結(jié)分析了疲勞理論，斷裂力學(xué)理論和損傷力學(xué)理論等各種歷史研究及當(dāng)代研究中，適用于工程機(jī)械構(gòu)件應(yīng)用的研究成果，包括關(guān)于疲勞裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展的理論模型、機(jī)理、各種判據(jù)。將影響疲勞裂紋擴(kuò)展的各種因素進(jìn)行分類(lèi)篩選，找出與本文研究密切相關(guān)的因素，為后面的研究奠定力學(xué)理論基礎(chǔ)。重點(diǎn)研究了疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)理及其擴(kuò)展公式。對(duì)承受動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在荷載大小遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度甚至是疲勞極限的條件下仍能發(fā)

6、生屈服乃至破壞，以往的研究對(duì)此類(lèi)現(xiàn)象的機(jī)理沒(méi)有作出直觀易懂的解釋。簽于此，本文提出疲勞裂紋擴(kuò)展的宏觀擴(kuò)展機(jī)理，即將動(dòng)荷載的慣性效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子附加到構(gòu)件的受載上去，也就是說(shuō)，雖然發(fā)生疲勞破壞的構(gòu)件承受的動(dòng)荷載在瞬時(shí)力的大小上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于構(gòu)件材料的屈服強(qiáng)度，但由于動(dòng)荷載的慣性作用，構(gòu)件上實(shí)際承受的荷載大小很可能超過(guò)其疲勞相關(guān)的承載能力而發(fā)生屈服并產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展。疲勞裂紋擴(kuò)展的改進(jìn)公式是根據(jù)所提出的疲勞機(jī)理以及目前疲勞裂紋擴(kuò)展理論應(yīng)用最廣泛

7、的判據(jù)提出的。裂紋擴(kuò)展有兩個(gè)重要的關(guān)節(jié)點(diǎn)，分別是裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值與材料斷裂韌度。本文的判據(jù)分別是裂紋擴(kuò)展實(shí)際驅(qū)動(dòng)力大于裂紋門(mén)檻值時(shí)，裂紋就開(kāi)始擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展實(shí)際驅(qū)動(dòng)力大于材料的斷裂韌度時(shí)，材料或構(gòu)件就斷裂，在此點(diǎn)之后就不存在裂紋的擴(kuò)展問(wèn)題，而在此值之前裂紋一直是按某一大小穩(wěn)定擴(kuò)展。本文在這兩個(gè)判據(jù)的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)的疲勞裂紋擴(kuò)展公式。改進(jìn)公式完全由裂紋驅(qū)動(dòng)力、裂紋擴(kuò)展阻力和裂紋形態(tài)特征表示的，突出了簡(jiǎn)單易懂的物理意義和應(yīng)用方便的特點(diǎn)，而且

8、該公式所表示的曲線涵蓋了整個(gè)裂紋擴(kuò)展全過(guò)程，包含了影響裂紋擴(kuò)展的所有重要因素。
　　 本文對(duì)改進(jìn)公式中的裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值和材料的斷裂韌度分別進(jìn)行了研究。對(duì)于裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值，根據(jù)斷裂力學(xué)中裂紋擴(kuò)展裂尖中應(yīng)力分布和裂尖處的塑性區(qū)的大小以及疲勞擴(kuò)展的疲勞極限圖，提出了用常規(guī)材料實(shí)驗(yàn)性能參數(shù)，如屈服強(qiáng)度、泊松比、彈性模量和加載參數(shù)應(yīng)力比表示的裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值估算公式。而對(duì)材料的斷裂韌度，則根據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的曲線，經(jīng)簡(jiǎn)化提出了用材料性能參數(shù)和幾

9、何尺寸表示的估算公式。對(duì)兩個(gè)公式分別進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算驗(yàn)證，其誤差在工程允許的范圍之內(nèi)。為了驗(yàn)證所提出的公式以及其公式用于壽命計(jì)算的效果，本文以實(shí)際工程機(jī)械構(gòu)件破壞為背景，進(jìn)行了構(gòu)件的壽命計(jì)算分析。在這項(xiàng)研究中，首先對(duì)機(jī)械構(gòu)件在其工作循環(huán)周期內(nèi)的承載工況進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，采用有限元進(jìn)行數(shù)值模擬，得出構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變分布場(chǎng)量，建立了進(jìn)行疲勞壽命研究所需的應(yīng)力分布載荷譜。然后對(duì)構(gòu)件進(jìn)行疲勞壽命分析。由于疲勞壽命分析只是強(qiáng)度分析中的一個(gè)類(lèi)別，在

10、實(shí)際應(yīng)用中如何區(qū)分判定并最終導(dǎo)入執(zhí)行，必須遵循明確清晰的步驟，本文建立了如下技術(shù)路徑。首先應(yīng)判定是否屬于疲勞問(wèn)題，不是則歸入其他強(qiáng)度問(wèn)題，如果是則應(yīng)選擇疲勞壽命計(jì)算的方法，方法確定后再對(duì)構(gòu)件進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。針對(duì)本文構(gòu)件，通過(guò)分析表明發(fā)生的是疲勞累計(jì)損傷破壞，因而分別利用線性累積損傷理論、非線性損傷理論和有限元疲勞壽命模擬進(jìn)行壽命計(jì)算，將三種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，本構(gòu)件完全可以滿足工程設(shè)計(jì)的壽命要求。但現(xiàn)實(shí)構(gòu)件卻在使用期限非常短

11、時(shí)就發(fā)生斷裂。針對(duì)該情況，利用斷裂力學(xué)的逆向分析思維，假設(shè)初始裂紋大小，采用最常使用的有裂紋估算公式和本文提出的裂紋擴(kuò)展公式，分別估算可能隱含初始裂紋構(gòu)件的壽命。通過(guò)與實(shí)際斷裂情況比較表明，本文提出公式的結(jié)果與現(xiàn)有公式的結(jié)果相差不大，但本文提出的公式能更好地反映裂紋擴(kuò)展的實(shí)際特點(diǎn)，是一個(gè)非常緩慢發(fā)展的過(guò)程。
　　 本文對(duì)影響裂紋擴(kuò)展的各個(gè)因素進(jìn)行了優(yōu)化研究，并對(duì)各因素的重要程度進(jìn)行了排序。結(jié)果表明，裂紋起裂角、初始裂紋大小和應(yīng)力

12、比是最重要的影響因素，而板厚等幾何形狀影響并不是特別重要。而且裂紋起裂角對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的影響大于初始裂紋，這與以往研究中的認(rèn)識(shí)是明顯不同的。結(jié)果還表明，若對(duì)裂紋擴(kuò)展曲線兩個(gè)判據(jù)點(diǎn)的重要程度進(jìn)行比較，門(mén)檻值的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料斷裂韌度，這也是以往研究中沒(méi)有提到的。另外，本文還建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)疲勞壽命進(jìn)行人工智能預(yù)測(cè)。通過(guò)實(shí)施該項(xiàng)技術(shù)模擬，可以不用考慮計(jì)算公式，而直接輸入影響裂紋擴(kuò)展的各個(gè)具體因素?cái)?shù)值，而得到構(gòu)件的壽命估算。這些新的