疲劳裂纹塑性闭合特性的数值分析方法

塑性诱导裂纹闭合是导致裂纹闭合发生的主要机理之一.利用弹塑性有限元法模拟含中心裂纹矩形板试件的疲劳裂纹扩展,并确定疲劳裂纹张开、闭合应力水平.通过计算,考察应力比R、裂纹长度、最大应力强度因子Kmax等对疲劳裂纹张开闭合应力的影响规律.论文阐述了所采用的裂纹扩展模拟方法及确定裂纹张开和闭合应力的原理.采用了等K加载方式,即在裂纹扩展中裂尖应力强度因子的最大值Kmax保持不变(给定R比,最大应力σmax随裂纹长度变化).分析了两种Kmax水平下R比分别为0.3,0,-0.5和-1.0共8种载荷工况.结果表明,对各个载荷工况,用瞬时最大应力σmax正则化的裂纹张开、闭合应力水平σop/σmax和σcl/σmax与裂纹长度无关.等K循环加载比等幅循环加载更有利于分析影响裂纹闭合水平的因素和闭合效应对疲劳裂纹扩展的影响规律,为建立基于裂纹闭合效应的疲劳裂纹扩展规律模型提供了一种新的思路.

对塑性诱导裂纹闭合几种影响因素的计算研究

基于塑性诱导裂纹闭合原理,通过弹塑性有限元方法的大规模数值计算分析,考察几何构形(带中心裂纹矩形板和中心孔双边裂纹矩形板)、材料强化模型(线性随动强化和非线性随动强化)、加载方式(等幅循环加载和等应力强度因子K循环加载)和应力比R等因素对疲劳裂纹张开、闭合规律的影响。结果表明,等幅加载中裂纹张开、闭合应力水平随裂纹长度变化且无明确规律可循。而在等K(给定应力比下保持最大应力强度因子不变)加载中,无论是使用不同材料强化模型,还是对应不同几何构形,用瞬时最大应力正则化的裂纹张开、闭合应力水平与裂纹长度无关。相同等K加载条件下,两种几何构形的裂纹张开应力强度因子均保持恒定且大小相近。两种随动强化模型对应的裂尖局部循环特性有差异,所获得的裂纹张开应力水平大小不同,但变化规律相似。文中结果可为更深入地理解疲劳裂纹扩展的驱动力机理提供帮助。