基于扩展有限元的铝合金板裂纹扩展分析及疲劳寿命预测

摘要

铝合金板具有比重轻、强度高的优越特性，被广泛应用于汽车车身及飞机结构中。构件在工作过程中承受载荷等外界条件的作用，会对材料的力学性能产生影响，尤其是当构件中出现裂纹时，会导致结构发生断裂，带来不可预估的灾难性后果。但是，裂纹的出现并不能立刻使构件发生断裂。为了考虑构件的安全性和可靠性，本文以2014-T6铝合金板作为研究对象，基于扩展有限元法，主要应用裂纹力学的理论知识对二维及三维裂纹体的裂纹扩展进行分析，并对三维裂纹体的疲劳寿命做出初步预测。
　　对于二维裂纹体，本文通过对直裂纹体与斜裂纹体分别施加平面Ⅰ型载荷、Ⅱ型载荷以及Ⅰ-Ⅱ复合型载荷，得出裂纹扩展长度与载荷、裂纹张开位移与载荷的关系曲线。同时，对裂纹尖端的静态和动态应力强度因子做了分析。得出结论：Ⅰ型载荷对裂纹扩展影响较大；裂纹扩展长度越长，所需载荷越大；裂纹扩展初期所需的载荷增幅较后期大；裂纹张开位移随着载荷的增加逐渐增加；应力强度因子可以控制裂纹的扩展方向。
　　对于三维裂纹体，本文通过对相同裂纹体分别施加Ⅰ型载荷、Ⅲ型载荷以及Ⅰ-Ⅲ复合型载荷，得出了裂纹扩展长度曲线、裂纹张开位移曲线，同样对裂纹尖端的动、静态应力强度因子做了分析。并对三维裂纹体在不同载荷下的疲劳寿命做了初步预测。得出结论：Ⅰ型裂纹的扩展长度要大于Ⅲ型和Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹；Ⅲ型和Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹的张开位移出现平台。随着裂纹扩展，三种应力强度因子普遍呈增加的趋势，其中 KⅠ和 KⅢ随裂纹扩展的变化趋势是相同的：裂纹扩展初期，应力强度因子增幅较平缓，而在裂纹扩展后期，应力强度因子出现猛增的趋势； e f f?Ⅰ,ⅢK随裂纹的扩展基本呈线性增长；Ⅰ型裂纹的循环次数N?703046次，Ⅲ型裂纹的循环次数N?11488次，Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹的循环次数N?5259次。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究及发展

1.3 疲劳裂纹扩展及寿命预测的基本应用理论

1.4 本文主要研究内容

第2章 裂纹扩展理论分析及Paris公式应用

2.1 裂纹的种类

2.2 裂纹尖端的应力强度因子

2.3 应力强度因子的计算方法

2.4 裂纹扩展参数分析

2.5 Paris公式对疲劳寿命预测的应用

2.6 本章小结

第3章 扩展有限元法

3.1 扩展有限元法简介

3.2 单位分解法

3.3 水平集法

3.4扩展有限元法

3.5 扩展有限元法在ABAQUS中的应用

3.6 本章小结

第4章 基于扩展有限元法的二维裂纹扩展分析

4.1 直裂纹

4.2 斜裂纹

4.3 本章小结

第5章 基于扩展有限元法的三维裂纹扩展分析及疲劳寿命预测

5.1Ⅰ型裂纹

5.2Ⅲ型裂纹

5.3Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹

5.4 本章小结

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士期间发表的论文