基于無位錯(cuò)區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展的理論及有限元模型

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1、工學(xué)博士學(xué)位論文基于無位錯(cuò)區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展的理論及有限元模型張瑞哈爾濱工業(yè)大學(xué)2006年8月圖書分類號：O346.2U.D.C.:539.43工學(xué)博士學(xué)位論文基于無位錯(cuò)區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展的理論及有限元模型博士研究生：張瑞導(dǎo)師：孫毅教授申請學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科、專業(yè)：固體力學(xué)所在單位：航天科學(xué)與力學(xué)系答辯日期：2006年8月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex：O346.2U.D.C.:539.43DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringONTHEORETICALANDFINITEELEMENTMODELOFCRAC

2、KGROWTHBASEDONTHEDISLOCATION-FREEZONECandidate：ZhangRuiSupervisor：Prof.SunYiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpecialty：SolidMechanicsAffiliation：DepartmentofAerospaceScienceandMechanicsDateofDefence：August,2006Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要在過去的幾十年中，斷裂力學(xué)方

3、法在描述疲勞裂紋擴(kuò)展過程中得到了廣泛的應(yīng)用，并獲得了很大的成功。隨著實(shí)驗(yàn)手段和顯微觀察技術(shù)的提高，人們對疲勞裂紋尖端附近區(qū)域內(nèi)材料在交變載荷作用下的行為有了更深刻的認(rèn)識(shí)，通過位錯(cuò)力學(xué)和位錯(cuò)模型人們正試圖描述裂紋擴(kuò)展的物理過程，進(jìn)而進(jìn)一步探討裂紋尖端局部區(qū)域材料在單調(diào)加載和循環(huán)加載下的損傷演化行為。本文正是基于這樣的基礎(chǔ)，試圖通過裂尖存在無位錯(cuò)區(qū)這一微觀物理現(xiàn)象來建立合理的模型來解釋疲勞裂紋、蠕變-疲勞裂紋在循環(huán)載荷下是如何擴(kuò)展的，材料的循環(huán)塑性是如何影響裂紋擴(kuò)展和疲勞門檻值的；并將理論模型應(yīng)用到有限元分析了循環(huán)加載下的裂紋擴(kuò)展行為。具體內(nèi)容如下：根據(jù)裂尖存在無位錯(cuò)區(qū)這一物理現(xiàn)象，提

4、出了基于無位錯(cuò)區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展模型。該模型基于無位錯(cuò)區(qū)理論和內(nèi)聚理論得到裂紋吸附區(qū)的J積分值，利用J積分值是否達(dá)到JC作為斷裂的判據(jù)，并由一個(gè)簡單的公式計(jì)算擴(kuò)展速率。得到的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線符合通常的三段式特點(diǎn)，并且與實(shí)驗(yàn)擬合較好。建立了通過材料的循環(huán)變形行為預(yù)測疲勞門檻值的模型。疲勞門檻現(xiàn)象與裂紋尖端局部地區(qū)的變形位錯(cuò)有密切關(guān)系，同時(shí)也一定與材料在循環(huán)載荷下的循環(huán)特性緊密相連。當(dāng)前模型強(qiáng)調(diào)了材料循環(huán)變形行為的重要作用。并將表征材料的循環(huán)變形特性的材料常數(shù)引入到無位錯(cuò)區(qū)模型中，利用內(nèi)聚模型計(jì)算裂紋吸附區(qū)的J積分值。由于循環(huán)變形行為會(huì)達(dá)到一個(gè)飽和值，所以可以建立給定載荷下疲勞裂紋擴(kuò)

5、展的臨界條件，并由此形成門檻值。當(dāng)前模型的主要特點(diǎn)是近門檻疲勞主要由材料的循環(huán)變形行為確定，進(jìn)而由標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)加載的實(shí)驗(yàn)確定，這對于工程實(shí)際有重要意義。由此模型預(yù)測的門檻值與實(shí)驗(yàn)相比擬合較好。同時(shí)還分析了材料的循環(huán)塑性的參數(shù)是如何影響門檻值和擴(kuò)展速率的。蠕變現(xiàn)象大量存在于工程實(shí)際中，為此，本文綜述了蠕變空洞的形核和生長理論，以及蠕變裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。在上述疲勞裂紋擴(kuò)展的模型的基礎(chǔ)上，為了考慮蠕變的影響，而在原模型的無位錯(cuò)區(qū)中加入了蠕變空洞，這是與蠕變空洞的形核位置的實(shí)驗(yàn)觀察相符的。由于蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展的復(fù)雜性，只考慮特定載荷下的二者的交互作用，在疲勞和蠕變的共同作用下，用一個(gè)簡單的公式

6、計(jì)算二者交互作用下的擴(kuò)展速率，得到的擴(kuò)展速率曲線符合通常的模式。最后建立了跨尺度的疲勞裂紋擴(kuò)展有限元模型。提出裂尖嵌入非線性彈性核的方法計(jì)算裂尖的微觀應(yīng)力應(yīng)變場，使得有限元計(jì)算所得裂尖場更接近于實(shí)際的物理現(xiàn)象，并根據(jù)裂尖應(yīng)力是否達(dá)到解理強(qiáng)度作為裂紋是否向前擴(kuò)展的判據(jù)。并以每一次向前擴(kuò)展一個(gè)無位錯(cuò)的距離計(jì)算速率，突破了常規(guī)有限元中缺乏反映微觀特性的斷裂判據(jù)的限制。計(jì)算了存在拉伸過載下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較，擬合結(jié)果較好。并分析了裂紋擴(kuò)展發(fā)生延遲的原因。關(guān)鍵詞裂紋；無位錯(cuò)區(qū)；循環(huán)塑性；有限元方法AbstractInthepastdecades,themethodoffr

7、acturemechanicshasbeenwidelyusedindepictingfatiguecrackgrowthandhasachievedagreatsuccess.However,withthedevelopmentofexperimentandmicrotechnique,peoplehavedeeplyunderstoodthebehaviorofmaterialsthatnearthecracktipunderthecyclicloading.By