含曲線裂紋結(jié)構(gòu)的三維斷裂與疲勞裂紋擴(kuò)展模擬研究.pdf

1、損傷容限設(shè)計(jì)思想是公認(rèn)的保障飛機(jī)安全性和經(jīng)濟(jì)性的科學(xué)思想。損傷容限設(shè)計(jì)以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，以含裂紋結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度評(píng)估和疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)為兩大核心任務(wù)。當(dāng)前損傷容限設(shè)計(jì)所依據(jù)的理論是傳統(tǒng)的二維斷裂力學(xué)理論，所依賴的技術(shù)平臺(tái)是商用CAD/CAE軟件平臺(tái)。傳統(tǒng)二維理論和現(xiàn)有商用軟件的局限性導(dǎo)致當(dāng)前損傷容限設(shè)計(jì)面臨著兩大困難：一是對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)裂紋結(jié)構(gòu)的評(píng)定缺乏相應(yīng)的理論依據(jù)，因此不得不做最保守的評(píng)估；二是含裂紋結(jié)構(gòu)的CAE模型建立流程繁瑣，直接

2、導(dǎo)致剩余強(qiáng)度分析工作量巨大和疲勞裂紋擴(kuò)展模擬預(yù)測(cè)難以實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這兩大問(wèn)題，本文分別從理論和技術(shù)方面展開(kāi)了系統(tǒng)深入的研究，主要取得了以下進(jìn)展：
　　 (1)建立了各種典型三維裂紋的CAE子模型數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)了基于幾何模型和有限元模型的三維裂紋自動(dòng)建模技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，建立了參數(shù)化后處理模塊，從而實(shí)現(xiàn)了從建模到后處理的全程序控制，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度評(píng)定和疲勞裂紋擴(kuò)展模擬提供了技術(shù)保障。
　　 (2)發(fā)展了基于三維約束因子

3、的等效厚度的概念。此概念將曲線裂紋線上的點(diǎn)與某一厚度的穿透直裂紋板中面上的裂紋尖端點(diǎn)建立了一種等價(jià)關(guān)系，進(jìn)而可以將基于穿透直裂紋板得到的材料數(shù)據(jù)合理的應(yīng)用于曲線裂紋，解決曲線裂紋的剩余強(qiáng)度評(píng)估、裂紋張開(kāi)應(yīng)力計(jì)算和裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)等關(guān)鍵問(wèn)題。這一概念為損傷容限分析中從實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)試件到實(shí)際復(fù)雜結(jié)構(gòu)之間的鴻溝建立了一座橋梁。
　　 (3)以等效厚度概念和三維斷裂理論為基礎(chǔ)，建立了非穿透曲線裂紋試件的雙參數(shù)斷裂準(zhǔn)則，將非穿透曲線裂紋試件

4、與穿透直裂紋試件的斷裂評(píng)估統(tǒng)一起來(lái)，可以廣泛應(yīng)用于各種非穿透曲線裂紋試件斷裂評(píng)估，為復(fù)雜三維裂紋結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度評(píng)定奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 (4)以等效厚度和條帶屈服模型為基礎(chǔ)，建立了非穿透曲線裂紋閉合模型。此模型能夠準(zhǔn)確計(jì)算非穿透曲線裂紋前沿張開(kāi)應(yīng)力和有效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度，進(jìn)而可以應(yīng)用于裂紋擴(kuò)展壽命以及形狀演化模擬預(yù)測(cè)。
　　 (5)通過(guò)對(duì)比三種譜載疲勞裂紋擴(kuò)展塑性區(qū)模型(Wheeler模型、Willenborg/Cha

5、ng模型和等效損傷模型)中遲滯參數(shù)在平面應(yīng)力、平面應(yīng)變和三維約束狀態(tài)下的值，發(fā)現(xiàn)裂尖三維應(yīng)力約束狀態(tài)對(duì)塑性區(qū)尺寸的影響會(huì)進(jìn)一步影響到模型中對(duì)于超載遲滯和反向超載加速的評(píng)估和裂紋擴(kuò)展速率的預(yù)測(cè)。在應(yīng)用塑性區(qū)模型對(duì)譜載疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，必須準(zhǔn)確計(jì)算裂尖三維約束因子，進(jìn)而得到精確地塑性區(qū)尺寸和裂紋擴(kuò)展速率。
　　 在此基礎(chǔ)上，本文將提出的相關(guān)方法、技術(shù)和模型在具體的工程結(jié)構(gòu)損傷容限分析中做了應(yīng)用。結(jié)果表明，本文的研究結(jié)果為當(dāng)前損