交变载荷下缺口根部应力—应变近似计算方法研究

论文摘要

机械零构件的疲劳破坏是目前机械故障诊断领域最引人关注的问题之一,目前的理论认为对疲劳寿命预测关键的在于获得缺口根部的应力-应变响应。在众多缺口根部应力-应变分析方法中,近似计算方法由于容易实现、计算速度快,在工程应用中有很高的实用价值。本文针对受到单轴或多轴比例与非比例加载的交变载荷下缺口根部的应力-应变近似计算方法进行研究。经过对三种最典型的建立外加名义应力-应变和缺口根部实际应力-应变关系的方法:Neuber法、ESED方法和热力学方法,从能量角度进行分析比较,发现三种方法的内在联系。通过引入一个类似于振动阻尼系数的参量Cq,建立了一个描述外加名义应力-应变和缺口根部实际应力-应变关系的统一表达式,（?）表示塑性变形过程中的热力学耗散系数,当它取不同值时分别对应Neuber法、ESED方法和热力学方法。一个统一表达式推广的增量表达形式方程被提出,该方程结合Jiang-Sehitoglu材料本构关系模型得到一个关于缺口根部应力-应变和应力-应变增量的方程组。利用得到的方程组可以实现非比例加载情况下对缺口根部的应力-应变响应路径进行计算。用FORTRAN编写了一个用于该方程组数值求解的计算机程序。有限元分析方法被用于确定缺口根部应力集中的位置和缺口几何参数:真实应力集中系数、真实应变集中系数和理论应力集中系数??。在四种多轴加载路径下,用本文提出的统一表达式计算得到的Neuber法、ESED方法和热力学方法对应的缺口根部应变响应,分别与实验数值比较,结果显示:Neuber法通常高估缺口根部的应变;ESED法通常低估缺口根部的应变;热力学方法得到的数值最接近实验数值。该结果与大量已有的实验和有限元分析结论相吻合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究意义与背景
• 1.1.1 研究意义
• 1.1.2 研究背景
• 1.2 交变载荷下缺口根部应力-应变分析方法研究现状
• 1.2.1 实验方法
• 1.2.2 弹塑性有限元分析方法
• 1.2.3 近似计算方法
• 1.2.4 本节小结
• 1.3 本文的研究工作
• 1.4 论文的结构纲要
• 第二章 缺口根部应力-应变近似计算方法理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 单轴交变载荷下的近似计算方法
• 2.2.1 Neuber 法
• 2.2.2 等效应变能密度（ESED）方法
• 2.2.3 热力学方法
• 2.3 多轴交变载荷下的近似计算方法
• 2.3.1 广义Neuber 法
• 2.3.2 广义ESED 法
• 2.3.3 Walker 法
• 2.3.4 Hoffman-Seeger 法
• 2.3.5 Gu-Lee 方法
• 2.3.6 广义热力学方法
• 2.4 Neuber 法、ESED 法与热力学方法分析比较
• 2.4.1 Neuber 法、ESED 法和热力学方法的物理意义
• 2.4.2 Neuber 法、ESED 法和热力学方法的内在联系
• 2.4.3 建立统一表达式
• 2.5 本章小结
• 第三章 近似计算方程组的数值求解
• 3.1 引言
• 3.2 统一表达式推广
• 3.3 材料本构关系模型
• 3.4 统一近似计算方程组
• 3.5 近似计算方程组的改进
• 3.6 方程组数值求解
• 3.6.1 构建迭代格式
• 3.6.2 迭代收敛性讨论
• 3.6.3 迭代精度预测
• 3.7 获取应力-应变响应路径
• 3.8 本章小结
• 第四章 有限元建模与缺口名义应力-应变分析
• 4.1 引言
• 4.2 有限元建模
• 4.3 有限元计算结果分析
• 4.4 用有限元方法计算应力、应变集中系数
• 4.5 本章小结
• 第五章 实验结果分析
• 5.1 实验设计
• 5.1.1 实验试样
• 5.1.2 应变片位置
• 5.1.3 多轴疲劳测试机
• 5.2 实验结果分析
• 5.2.1 加载路径
• 5.2.2 近似计算结果与实验结果比较
• 5.2.3 近似计算方法估算精度讨论
• 5.3 本章小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 附录1：统一近似计算方法FORTRAN 源程序
• 致谢
• 攻读硕士期间的学术论文