疲劳裂纹;扩展速率;门槛值;剩余寿命;测试系统

哈尔滨石油学院毕业设计论文论文题目:断裂力学疲劳裂纹扩展规律研究院系:石油工程系专业:石油工程姓名:齐道源指导教师:李其主要内容1.研究疲劳裂纹扩展的意义2.研究内容及方法3.论文总结1.研究疲劳裂纹扩展的意义(1)疲劳研究的主要目的是精确地估算机械结构的零构件的疲劳寿命，保证在服役期内构件不会发生疲劳失效；采用经济而有效的技术和管理措施以延长疲劳寿命，从而提高产品质量，增强产品在国内外市场上的竞争力。因此，对材料和构件的疲劳研究仍为国内外学者和工程界所关注。研究疲劳裂纹扩展的意义(2)在零件有初始缺陷或在使用寿命中出现裂纹，发生破损时，只要保持有一定的剩余强度，仍能够正常使用，则可不必立即更换，必须随时掌握裂纹扩展状态，对裂纹扩展剩余寿命有正确的估计。(3)由于构件在加工制造或使用过程中，裂纹的出现是不可避免的，因此，用断裂力学研究裂纹的扩展特性，保证带裂纹的构件不致因裂纹扩展而断裂，就需要研究这些材料的疲劳裂纹扩展规律。所以研究疲劳裂纹扩展规律在现实生活和工程中是十分必要的。研究疲劳裂纹扩展的意义2.研究内容及方法对于疲劳裂纹扩展规律的研究，主要是寻求裂纹扩展速率与各有关参量之间的数学表达式。其中较常用的有Paris公式、Walker公式、Forman公式、在这些描述裂纹扩展率关系的各种计算公式中，最著名的、最具代表性的、应用最广泛的，并为大多数国家工程实际上所采用的是Paris公式。２.１裂纹扩展速率及门槛值⑴Paris公式研究内容及方法nKCdNda)(式中，为材料常数，由实验确定。对各种金属材料，大约=2~7之间。与材料力学性质、实验条件有关。CCnnC研究内容及方法⑵基于积分的疲劳裂纹扩展速率公式J实验表明，裂纹扩展速率与交变载荷作用下的积分变化范围之间存在着类似Paris公式的幂函数关系，可以用一般式表示为：dNda/JmJJCdNda)(式中：、为与材料有关的常数。JCJm研究内容及方法积分疲劳裂纹扩展率公式中参数的确定。选取文献[9]中的数据，以压力容器业最常用的材料16MnR为例，利用最小二乘法对原始数据进行拟合，得到式中的参数J40.1JC84.1Jm，。列出拟合后得到的结果以及)ln()/ln(JdNda结果如下图。研究内容及方法16MnR的拟和曲线)ln()/ln(JdNda用最小二乘法拟合得到的压力容器业常用材料16MnR的84.1)(40.1JdNda84.1)(40.1JdNda积分疲劳裂纹扩展公式为：J研究内容及方法⑶疲劳裂纹扩展理论门槛值从理论上，门槛值是指疲劳裂纹扩展速率所对应的应力强度因子变程，实际中难以直接测量，故目前工程中规定用，510/dNdathKthK0/dNdaK710/dNdamm/cycle所对应的值作为门槛值来取而代之。美国试验与材料学会(ASTM)和中国国家标准局先后给出了类似的确定方法。为区别，将前者称之为理论门槛值thTK而将后者称之为实用门槛值thOK研究内容及方法若理论门槛值与实用门槛值相差很小，用后者替代前者当然可行。但有试验发现，当时，仍能观测到裂纹的明显扩展。对于有的材料，与之间的差别是明显的。在这样的场合，将材料的实用门槛值代替理论门槛值用于结构的损伤容限设计，无疑将冒风险。因此，找到一种较为可靠的确定理论门槛值的方法就显得很有意义。thTKthOKthOKKthTKthOK研究内容及方法王永廉于1987年提出过一个适用性广泛的疲劳裂纹扩展速率表达式：tqcspthnKKKKKcdNda]1)/[(])/(1[)(max大量试验数据证明，该表达式能够很好地描述疲劳裂纹扩展全过程。表达式中一共包含了8个参数。注意到，当时，，故其中的即为材料的理论门槛值。thKK0/dNdathKthTK所有这8个参数均可直接由疲劳裂纹扩展试验数据拟合确定。研究内容及方法2.2表面疲劳裂纹监测⑴监测系统硬件配置表面疲劳裂纹监测系统主要用于对结构件表面疲劳裂纹进行监测，系统硬件包括直流恒流源、放大电路、A/D为采集板和BM-PC计算机系统。表面裂纹监测系统工作原理如下图所示。研究内容及方法表面疲劳裂纹监测系统研制的目的，就是可对使用中的易损机械构件进行定期或长期监测，实时观察疲劳裂纹扩展情况，及时获取信息，确保机械构件的安全工作。⑵监测系统软件表面疲劳裂纹监测系统软件全部由C语言编程。系统特点如下：研究内容及方法①通过人机对话方式对采样参数进行设定，操作简便；②数据采集采用实时时钟中断方式进行，采集过程中可对采样数据进行实时处理、实时显示采样数据、波形和图形，不影响数据采集的连续性；研究内容及方法③采样监视阶段，可对采样数据的漂移做进一步的调零处理，使采样精度大大提高；④实现了对采样时间的累加与再现，为疲劳寿命预测提供了依据；⑤根据设定报警限实时报警，以测得的裂纹值作为初始裂纹，按照损伤容限设计理论实时预测疲劳裂纹剩余寿命；⑥采用裂纹片测试裂纹，既可用于金属，亦可用于非金属。其输出只与裂纹长度有关，而与试件形状无关。因而可设计成各种外形以适应不同部位的测试要求。研究内容及方法研究内容及方法2.3影响裂纹扩展速率的因素各种因素对的影响，可分为两类：加大的因素和减少的因素。平均应力为拉应力，高温，低频率等因素，均加大；平均应力为压应力，过载峰，高频率等因素，均减小。dNda/dNda/dNda/dNda/dNda/dNda/研究内容及方法2.4积分疲劳寿命估算J利用模型推得的裂纹尖端张开位移计算公式：)]2ln[sec(8ssEa以及此模型下积分与COD值的在平面应力状态下的换算公式：sJMDJ研究内容及方法得到的模型的积分表达式：)]2ln[sec(82ssEaJ代入积分裂纹扩展率公式得：JJmssJmJEaCJCdNda)]}2sec([ln8{)(2分离变量，积分后得裂纹从扩展到时的循环数为：0aNaMDJJN研究内容及方法当时1Jm)(11)]}2ln[sec(8{11012JJJmmNJmssJaamECN当时1Jm02ln)]2ln[sec(81aaECNNssJ研究内容及方法上面两式即为模型下的基于积分的裂纹寿命公式。MDMDJ为方便工程计算，考虑到：)]2ln[sec(82ssEaJ对上式进行化简得NmJNaaJCaaNJ00)(上式即为基于积分的裂纹疲劳寿命工程计算公式。J研究内容及方法对于平面应变状态，仍然近似地借用模型，不同之处是用MDssys221取代式)]2ln[sec(8ssEa中的s得到sJ2按上面方法就可以得到平面应变状态下的裂纹寿命估算公式。3.论文总结(1)基于积分理论研究疲劳裂纹扩展速率的计算方法，推导出的疲劳寿命计算公式是以弹塑性断裂理论为基础，理论上讲，对于工程中广泛存在的应变疲劳问题应用此方法估算疲劳寿命，比使用基于线弹性理论得出的疲劳寿命计算公式求解更为合理。J论文总结(2)对影响疲劳裂纹扩展速率的因素进行分析，提出表面疲劳裂纹监测系统框图，说明在工程中应用的意义及特点。论文总结(3)因为疲劳裂纹扩展而使机械零件和工程构件出现疲劳失效，因为没有即时的预防而造成的损失是非常大的，为了预防其破坏设备和构件的正常运行，就要对构件进行适时监控，用最有效的方法解决问题，所以对疲劳裂纹扩展规律研究是十分必要的。