基于虚拟裂纹闭合法的裂纹扩展与疲劳寿命研究

论文摘要

断裂力学在结构、机械、岩土、航空航天、船舶与海洋工程、核电、油气管道等工程领域有着广泛的应用。但只有极少数断裂力学问题存在解析解,绝大多数工程实际中所遇到的断裂力学问题都要借助于数值分析方法才能够解决。本文首先介绍了基于有限元法计算断裂参数的各种数值方法,包括计算应力强度因子的外推技术,计算J-积分的等效区域积分技术,计算应变能释放率的虚拟裂纹扩展技术。然后着重介绍了具有方便、效率高、计算精度高、不依赖网格尺寸和裂纹尖端无需特殊单元等特点的虚拟裂纹闭合法（Virtual Crack Closure Technique,简称VCCT）。利用通用有限元软件ABAQUS的自定义单元（UEL）功能,基于VCCT开发出了适用于线状直线扩展裂纹的VCCT断裂单元,用于计算应力强度因子和模拟裂纹稳态扩展;进一步开发出了适用于线状直线扩展裂纹的VCCT疲劳单元,用于疲劳寿命预测。通过标准三点弯曲试样的算例表明,采用VCCT断裂单元计算应力强度因子精度可靠;通过双悬臂梁试样的裂纹稳态扩展算例表明,VCCT断裂单元可以很好地模拟裂纹扩展;通过与一组中心裂纹板的实验数据对比表明,采用VCCT疲劳单元能准确地预测疲劳寿命。本文的研究结果为工程技术人员进行断裂与疲劳分析提供了一个简洁而高效的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 断裂力学中的数值技术简介
• 1.2 用有限元分析断裂问题的难点
• 1.3 课题来源及研究意义
• 1.4 本文的主要工作
• 2 虚拟裂纹闭合法理论
• 2.1 虚拟裂纹闭合法发展回顾
• 2.2 线状裂纹的虚拟裂纹闭合法理论
• 2.3 面状裂纹的虚拟裂纹闭合法理论
• 3 基于虚拟裂纹闭合法模拟裂纹扩展行为
• 3.1 ABAQUS 的UEL 功能简介
• 3.2 VCCT 断裂单元
• 3.3 裂纹扩展模拟算例
• 4 基于虚拟裂纹闭合法预测疲劳寿命
• 4.1 VCCT 疲劳单元
• 4.2 疲劳裂纹扩展寿命预测
• 4.3 网格敏感性的影响
• 4.4 疲劳寿命预测算例
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献