宏观断裂的疲劳模拟及寿命预测

宏观断裂的疲劳模拟及寿命预测班级：姓名：学号：研究课题题目：是宏观结构的断裂、疲劳模拟及寿命预测（金属裂纹那一方面）一、研究背景和意义背景：按静强度设计，满足[]，为什么还发生破坏？传统“安全设计观点”无法解释事故的原因，因为事故往往发生在断裂应力远远小于材料的屈服应力，甚至低于许用应力。主要原因是由缺陷或裂纹导致的断裂。据统计，机械零件破坏的50%~90%为疲劳破坏，特别是随着机械零件向大型、复杂化和高温、高速使用环境的方向发展，随机因素增加，疲劳破坏更是层出不穷，因此关于疲劳破坏问题的研究得到了极大的关注，其中重点为疲劳寿命的预测。意义：疲劳寿命是结构的主要指标之一，合理预测结构的疲劳寿命是长期以来特别关注且必须关注的重要技术问题。了解工程系统的性态并为其设计提供合理的规则。应用于重大装备的设计与寿命预测，为确保其按时服役提供了技术支持。应用于公司的选材、试验仿真，弥补了实际实验代价昂贵、一些关键参数无法测定的不足，产生了可观的经济效益，比如管道巨头TansCanada公司应用于高强度管线钢的选材、落锤试验仿真与压力管道的止裂设计。二、国内外研究现状“损伤容限设计”，是20世纪疲劳强度设计的主要发展方向。至今形成了很多著名的理论：线性累积损伤理论、双线性累积损伤理论、科尔顿.多兰累积损伤理论、Marco-starkey理论、Henry疲劳累积损伤理论等。采用疲劳试验与理论分析相结合是当前国内外确定结构疲劳寿命的主要方法，但准确确定复杂结构在一定条件下的疲劳裂纹萌生具有相当大的难度，这是因为复杂结构往往是关键承力结构，受力情况及对应的应力应变分布复杂，影响疲劳寿命的因素多，疲劳危险部位呈现一定的不确定性。随着新型材料的不断加入，疲劳断裂模拟及寿命预测任重道远。由于疲劳寿命的研究涉及到金属材料科学、材料力学、振动力学、疲劳理论、断裂力学和计算方法等多门学科，影响因素较多，所以预测与实际寿命之间还有相当大的差距，显然，疲劳寿命的预测仍是一个值得研究和开拓的领域.归纳疲劳寿命预测的各种理论与方法，可看出：（1）预测疲劳裂纹形成寿命的方法很多，但是仍有很多问题需要不断深入探讨，例如裂纹形成寿命的定义、更能反映实际损伤历程的疲劳损伤累积理论、循环应力应变曲线的描述等，更为重要的是需要深入了解疲劳裂纹形成阶段的损伤机理。目前在疲劳裂纹形成寿命预测方法中，局部应力应变法最有效，使用也最为广泛；场强法发展迅速，具有发展潜力，但是其分析计算方法较为复杂。(2）由于很多工程构件都含有尖锐缺口或裂纹，疲劳寿命往往主要消耗于裂纹的扩展阶段，因此根据断裂力学的相关理论所建立的疲劳裂纹扩展寿命的相关预测方法在寿命预测中具有越来越重要的地位。断裂力学在近年来已经较为深刻地揭示了疲劳裂纹扩展的机理，因而利用其相关知识建立一个描述裂纹扩展过程的真实模型非常必要，这也是目前疲劳裂纹扩展寿命预测研究的重点之一。三、课题研究内容（一）面向国家重大装备的需求，对复杂载荷工况下（包括疲劳载荷、动静态加载、高温蠕变、焊接残余应力影响等）的结构关键部件中可能出现的各种缺陷、裂纹进行精确应力应变场分析，发展新的断裂准则；（二）对结构关键部件的裂纹萌生、扩展进行模拟预测分析，建立结构的强度评估和寿命预测的虚拟试验分析平台，并应用于关键结构的损伤容限设计。传统设计方法：研究对象是无缺陷变形体，研究目的是保证在最大载荷下有足够的强度。但实际材料并不是理想状态，甚至有微小裂痕，且工况复杂（包括疲劳载荷、动静态加载、高温蠕变、焊接残余应力影响等）。实际强度条件是多少呢？研究方法：理论预测+试验及其数据，验证。理论预测需要去了解三维断裂准则及三维疲劳裂纹扩展理论模型。I型裂纹三维断裂准则：I型裂纹三维断裂准则：实验及数据，主要用到ANSYS软件和ABAQUS软件。需要做紧凑拉伸试验和复合型试验，其他试验在根据需要添加。另外，只有在扰动应力作用下，疲劳才会发生。扰动应力，是指随时间变化的应力。也可更一般地称为扰动载荷，载荷可以是力、应力、应变、位移等。疲劳损伤的结果是形成裂纹。四、应用建立的缺陷演化模型与断裂准则已成功应用于国防某重大装备的设计与寿命预测，为确保其按时服役提供了技术支持；建立的虚拟实验平台被全球压力容器与管道巨头TansCanada公司应用于高强度管线钢的选材、落锤试验仿真与压力管道的止裂设计，产生了可观的经济效益。