應用PVDF壓電材料和有限元法估算結(jié)構(gòu)表面裂紋深度.pdf

1、裂紋幾何尺寸是在結(jié)構(gòu)的抗疲勞設計、疲勞斷裂力學分析、斷裂判據(jù)和疲勞斷裂控制中非常重要的依據(jù).在作業(yè)環(huán)境下,迅速準確地確定結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋的幾何尺寸具有重要意義.本文根據(jù)裂紋深度和裂紋開口位移與名義應變比值之間的簡單比例系數(shù)關(guān)系,利用PVDF的壓電特性和有限元法對結(jié)構(gòu)表面裂紋的深度進行估算.無限大三維彈性體超奇異積分方程的解析解表明位移間斷和裂紋深度之間存在簡單的比例系數(shù)關(guān)系.本文首先考察了該解析解適用的有限大三維彈性體尺寸條件,通過有限元

2、計算得到當三維彈性體各向尺寸大于等于裂紋尺寸的7倍時,可以應用無限大三維彈性體超奇異積分方程的解析解.通過引入表面影響系數(shù),得到了半無限大三維彈性體表面裂紋開口位移與裂紋深度間的近似計算公式.論文通過算例驗證了近似計算公式的適用性.平板結(jié)構(gòu)是較為常見的工程結(jié)構(gòu)之一.受到板寬、板厚等邊界條件的影響,上述近似計算公式不再適用.論文對含表面裂紋的平板結(jié)構(gòu)進行系列計算.計算中考慮了不同裂紋形狀、不同裂紋深度和長度對該比例關(guān)系的影響.為消除載荷大

3、小的影響,論文將裂紋開口位移與名義應變的比值作為一個特征參數(shù)進行討論.計算結(jié)果表明開口位移和裂紋深度之間的比例系數(shù)關(guān)系沒有本質(zhì)變化.板寬、板厚等邊界條件僅影響比例系數(shù)的大小.在實際應用中可以通過試算得到該系數(shù).論文給出了確定比例系數(shù)的算法.本文通過有限元數(shù)值計算討論了應用PVDF壓電材料測量平板結(jié)構(gòu)表面裂紋開口位移的可行性.計算表明在裂紋開口附近的結(jié)構(gòu)變形主要由裂紋的存在引起,并且開口兩側(cè)小范圍內(nèi)存在一個"小應變"區(qū)域.該變形特點允許應

4、用相對較大面積的PVDF壓電薄膜測量裂紋開口位移.對PVDF壓電薄膜來說,應變集中在開口上方很小的一個范圍之內(nèi).據(jù)此,本文確定了實際測量的PVDF壓電薄膜尺寸為1~6毫米,設計出測量開口位移與名義應變比值的電路,實現(xiàn)了應用PVDF壓電薄膜測量開口位移與名義應變.最后,本文綜合比例系數(shù)確定算法和開口位移測量方法,提出了一種簡單實用的表面裂紋深度估算方法.在本文的研究工作中,實施了三個試驗以驗證相關(guān)方法的適用性.試驗結(jié)果與真實值具有較好的一