機(jī)械結(jié)構(gòu)裂紋診斷的數(shù)值分析方法與應(yīng)用研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，為滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要，機(jī)械設(shè)備正在向重型、高速、自動(dòng)化方向發(fā)展，其金屬結(jié)構(gòu)的承載能力對(duì)生產(chǎn)安全的影響也愈來(lái)愈大。裂紋作為影響金屬結(jié)構(gòu)安全的主要隱患，長(zhǎng)期以來(lái)一直是人們關(guān)注和研究的熱點(diǎn)，因而對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)裂紋診斷方法的研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文以斷裂力學(xué)理論為依據(jù)，通過(guò)有限元方法及其二次開(kāi)發(fā)技術(shù)、聲發(fā)射檢測(cè)、無(wú)網(wǎng)格方法等技術(shù)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)裂紋診斷方法及其應(yīng)用進(jìn)行了研究，完成了如下工作： （1

2、）應(yīng)力強(qiáng)度因子在斷裂力學(xué)中是重要的參數(shù)，本文同時(shí)使用有限元和無(wú)網(wǎng)格方法對(duì)其進(jìn)行了分析計(jì)算。由于無(wú)網(wǎng)格方法是以節(jié)點(diǎn)位移為基礎(chǔ)求取應(yīng)力強(qiáng)度因子的，本文提出了一種權(quán)函數(shù)自變量方程結(jié)合位移外推法來(lái)處理裂紋不連續(xù)線，從而較精確地求出裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，并且避免了目前處理方法中節(jié)點(diǎn)和計(jì)算點(diǎn)重合時(shí)所發(fā)生的數(shù)值溢出現(xiàn)象，從而為無(wú)網(wǎng)格方法應(yīng)用于裂紋診斷提供一條新的途徑。通過(guò)把有限元模型的計(jì)算結(jié)果與無(wú)網(wǎng)格方法所得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，說(shuō)明兩種方法的計(jì)算結(jié)

3、果是合理的。 （2）目前裂紋結(jié)構(gòu)的剩余壽命預(yù)測(cè)往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取若干工況對(duì)Ⅰ型裂紋的剩余壽命進(jìn)行分析的結(jié)果，理論上會(huì)給裂紋結(jié)構(gòu)剩余壽命的預(yù)測(cè)帶來(lái)誤差。本文提出了移動(dòng)載荷下的復(fù)合型裂紋結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測(cè)方法，即在復(fù)合型裂紋擴(kuò)展路徑有限元仿真的基礎(chǔ)上，利用Paris公式研究載荷變化過(guò)程中裂紋結(jié)構(gòu)剩余壽命的變化規(guī)律，得到載荷位置—裂紋剩余壽命關(guān)系曲線，通過(guò)分析載荷位置對(duì)裂紋剩余壽命的影響可使裂紋診斷結(jié)果更直觀，更符合工程實(shí)際。并通過(guò)裂紋

4、試件的聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)，得到了裂紋處的聲發(fā)射定位次數(shù)特征，從實(shí)驗(yàn)的角度驗(yàn)證了由上述預(yù)測(cè)方法所得的載荷位置變化對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響規(guī)律。 （3）在裂紋擴(kuò)展有限元分析模型中，結(jié)構(gòu)整體相對(duì)其內(nèi)部裂紋的幾何尺寸差異懸殊，而分析裂紋擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程中需不斷地修改模型，其難度大，效率低，易出錯(cuò)，本文提出了參數(shù)化的子模型分析方法，利用Ansys中的APDL技術(shù)建立了參數(shù)化的動(dòng)態(tài)修改模塊，實(shí)現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)的粗糙模型和裂紋結(jié)構(gòu)的子模型分析數(shù)據(jù)文件的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)