半球形表面缺陷影响下表面裂纹应力强度因子的数值分析

摘要

由于构件中孔洞或其他表面缺陷(比如半球形、圆柱形等)的存在所产生的应力集中，在疲劳载荷的作用下裂纹便可能在孔洞或表面缺陷附近出现。众所周知，孔洞或者其他表面缺陷的存在本身就存在着应力集中，而裂纹的尖端应力场、应变场奇异，这样它们双重的作用将使得结构的分析更加复杂。
　　因此研究表面缺陷影响下的裂纹体将具有十分重要的理论和实际意义，基于此本文选取了含半球形表面缺陷和表面裂纹的三维线弹性体(简称表面缺陷裂纹问题)作为研究对象，并对断裂分析中的关键参量——应力强度因子进行了数值分析和求解。这个模型应该比众所周知的半椭圆形表面裂纹模型更为典型。
　　本文在前人研究表面裂纹的基础上，用康奈尔大学断裂力学小组编制的FRANC3D软件，通过选取相关的模型得到如下结论：
　　(1)当Rt≤，/0.2RW≤且0.2RH≤时我们可以认为裂纹体为无限0.2大，而Rt，/0.2RW且0.2RH时我们则需考虑边界的影响，即视0.2之为有限体。其中R为表面裂纹的半径，W、t和H分别为裂纹体的半宽、厚度和半长。
　　(2)不管裂纹体为无限大或有限大，半球形表面缺陷影响下表面裂纹裂纹前沿的应力强度因子均随着裂尖与前自由表面间距离的增大而减小。
　　(3)无限大裂纹体中，裂纹前沿最大的应力强度因子是Rr的函数，r为半球形表面缺陷的半径。并且半球形表面缺陷并不总使强度因子变大(与无半球形表面缺陷时半圆形表面裂纹相比较而言)。
　　(4)有限大裂纹体中，裂纹前沿最大的应力强度因子在Rr特定的情况下随着rt的增大而增大，在rt特定的情况下随着Rr的增大而增大。
　　(5)有限大裂纹体中，裂纹前沿的应力强度因子并不都随着Rt的增大而增大。其中，裂纹前沿最深点的应力强度因子受Rt的影响最大，当Rt大约大于0.8时，该点的应力强度因子将随着Rt的继续增大而减小。

目录

半球形表面缺陷影响下表面裂纹应力强度

THE NUMERICAL ANALYSIS OF THE STRESS INTENSITY FACTORS FOR THE BODY WITH SURFACE CRACK AND SURFACE SEMI-SPHERICAL CAVITY

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 半椭圆表面裂纹的研究现状

1.2.2 孔边裂纹的研究现状

1.2.3 国内外研究现状的总结

1.3 本文的主要研究内容

第2章 线弹性断裂力学与边界元法

2.1 线弹性断裂力学概述

2.1.1 线弹性断裂力学

2.1.2 应力强度因子

2.1.3 三维裂纹问题

2.1.4 应力强度因子的求解

2.2 边界元法基础和FRANC3D

2.2.1 区域型解法和边界型解法

2.2.2 弹性力学方程

2.2.3 基本解或开尔文解

2.2.4 边界元公式

2.2.5 FRANC3D软件简介

2.3 本章小结

第3章 无限大体中的表面缺陷裂纹

3.1 计算模型的选取

3.2 半圆形表面裂纹

3.3 表面缺陷裂纹问题无限大体的确定

3.4 无限大裂纹体中的应力强度因子

3.5 本章小结

第4章 有限大体中的表面缺陷裂纹

4.1 引言

4.2 模型选取和计算结果

4.3 表面缺陷对应力强度因子的影响

4.4 裂纹体厚度对应力强度因子的影响

4.5 本章小结

第5章 后自由表面对应力强度因子的影响

5.1 引言

5.2 后自由表面对应力强度因子的影响

5.2.1 后自由表面对应力强度因子的影响

5.2.2 裂纹前沿最深点的应力强度因子

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理

致谢