薄壁結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性有限元數(shù)值模擬和疲勞壽命預(yù)測方法研究.pdf

1、薄壁結(jié)構(gòu)由于質(zhì)量輕、承載性能優(yōu)良，被廣泛用于航空航天、船舶、汽車、壓力容器等領(lǐng)域。此類結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變受幾何形狀、邊界條件等因素影響較大，除特殊情況外難以獲得解析解，因此薄壁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論和模擬方法一直是研究的熱點(diǎn)。本文針對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性數(shù)值模擬、穩(wěn)定性分析和疲勞壽命預(yù)測研究中存在的問題，進(jìn)行了如下內(nèi)容的研究：
　　1．薄壁結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性有限元模擬及誤差修正方法研究
　　基于薄壁結(jié)構(gòu)的控制方程和有限元離散原理，系統(tǒng)研究了包含

2、倒角、凸臺(tái)、孔洞等特征的曲面薄壁結(jié)構(gòu)的有限元離散特點(diǎn)和建模方法。同時(shí)基于離散過程的理論推導(dǎo)，研究了有限尺寸曲面薄壁結(jié)構(gòu)的離散誤差產(chǎn)生機(jī)理和計(jì)算應(yīng)力的修正方法。以探針為對(duì)象，分析了曲面薄壁結(jié)構(gòu)的屈曲載荷隨幾何尺寸和外形的變化規(guī)律，為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
　　2．薄壁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)振動(dòng)數(shù)值計(jì)算方法研究
　　基于連續(xù)體基礎(chǔ)振動(dòng)原理和有限元實(shí)現(xiàn)過程，建立了求解薄壁結(jié)構(gòu)簡諧基礎(chǔ)振動(dòng)和沖擊問題的靜力等效載荷法。通過施加靜力等效節(jié)點(diǎn)

3、載荷將簡諧基礎(chǔ)振動(dòng)問題轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)固定的簡諧響應(yīng)問題，進(jìn)而獲得結(jié)構(gòu)響應(yīng)的幅值和時(shí)間歷程，克服了現(xiàn)有方法的不足。
　　3．薄壁結(jié)構(gòu)疲勞裂紋形成壽命預(yù)測及結(jié)果顯示方法研究
　　基于疲勞累積損傷理論，建立了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷作用下薄壁結(jié)構(gòu)疲勞裂紋形成壽命的預(yù)測方法和有限元模擬及顯示流程。同時(shí)以探針為對(duì)象，基于四點(diǎn)雨流計(jì)數(shù)法和雙線性累積損傷準(zhǔn)則，通過自編程序?qū)崿F(xiàn)了薄壁結(jié)構(gòu)疲勞壽命的自動(dòng)預(yù)測和結(jié)果的圖形化顯示。
　　4．薄壁結(jié)構(gòu)疲勞

4、裂紋擴(kuò)展壽命理論模型和預(yù)測方法研究
　　通過現(xiàn)有疲勞裂紋擴(kuò)展速率影響因素特點(diǎn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律的研究，提出了描述試樣厚度、循環(huán)應(yīng)力比和材料參數(shù)等對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率影響的綜合影響系數(shù)模型。通過與Newman、Huang和Codrington模型對(duì)裂紋張開應(yīng)力和有效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍比預(yù)測結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了模型的有效性?；诰C合影響系數(shù)模型和鈍化復(fù)銳理論開發(fā)了常幅和變幅載荷下疲勞裂紋擴(kuò)展的通用模型，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)有模型的預(yù)測結(jié)果驗(yàn)證了通

5、用模型的有效性。
　　5．薄壁結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展過程數(shù)值模擬方法研究
　　基于第4部分的理論模型，采用擴(kuò)展有限元和水平集法建立了常幅和變幅載荷下疲勞裂紋擴(kuò)展過程的擴(kuò)展有限元模擬流程和矩陣更新算法，并通過現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了理論模型、擴(kuò)展有限元模擬流程和求解算法的有效性。
　　6．基于ANSYS的薄壁結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真和疲勞壽命預(yù)測專用軟件開發(fā)
　　基于第1~5部分的研究成果，并以探針應(yīng)用需求出發(fā)，開發(fā)了薄壁結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性專用

6、仿真和疲勞壽命預(yù)測軟件。
　　本論文取得的主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下：
　　1．提出了求解連續(xù)體簡諧基礎(chǔ)振動(dòng)和沖擊問題的靜力等效載荷法
　　該方法避免了瞬態(tài)計(jì)算方法中存在剛體位移、算法穩(wěn)定性、模型規(guī)模等限制，以及反映譜法存在振形峰值組合規(guī)則的限制，可用于求解單點(diǎn)和多點(diǎn)非正弦（余弦）基礎(chǔ)振動(dòng)、沖擊和瞬態(tài)響應(yīng)等問題。
　　2．建立了反映材料特性、試樣尺寸、載荷特征等參數(shù)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率影響的綜合影響系數(shù)模型
　　該模型

7、顯式反映了材料特性、試樣尺寸、循環(huán)應(yīng)力比等因素對(duì)裂紋張開比和有效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍比及疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響。通過代入試樣參數(shù)、試驗(yàn)條件和材料參數(shù)可預(yù)估結(jié)構(gòu)和試樣的疲勞特性，可為試驗(yàn)設(shè)計(jì)、試樣選型和實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。
　　3．提出了常幅和變幅載荷下結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展過程的通用模型
　　該模型能有效且定量描述單峰過載、單峰低載、序列加載和譜載荷等產(chǎn)生的延遲和加速效應(yīng)，具有明確的斷裂力學(xué)的物理含義，適用于描述各種韌性材料、不同加載條