機械結(jié)構(gòu)裂紋診斷的數(shù)值分析方法與應(yīng)用研究.pdf

1、近年來，隨著社會發(fā)展和科技進(jìn)步，為滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要，機械設(shè)備正在向重型、高速、自動化方向發(fā)展，其金屬結(jié)構(gòu)的承載能力對生產(chǎn)安全的影響也愈來愈大。裂紋作為影響金屬結(jié)構(gòu)安全的主要隱患，長期以來一直是人們關(guān)注和研究的熱點，因而對機械結(jié)構(gòu)裂紋診斷方法的研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。本文以斷裂力學(xué)理論為依據(jù)，通過有限元方法及其二次開發(fā)技術(shù)、聲發(fā)射檢測、無網(wǎng)格方法等技術(shù)對機械結(jié)構(gòu)裂紋診斷方法及其應(yīng)用進(jìn)行了研究，完成了如下工作： （1

2、）應(yīng)力強度因子在斷裂力學(xué)中是重要的參數(shù)，本文同時使用有限元和無網(wǎng)格方法對其進(jìn)行了分析計算。由于無網(wǎng)格方法是以節(jié)點位移為基礎(chǔ)求取應(yīng)力強度因子的，本文提出了一種權(quán)函數(shù)自變量方程結(jié)合位移外推法來處理裂紋不連續(xù)線，從而較精確地求出裂紋尖端的應(yīng)力強度因子，并且避免了目前處理方法中節(jié)點和計算點重合時所發(fā)生的數(shù)值溢出現(xiàn)象，從而為無網(wǎng)格方法應(yīng)用于裂紋診斷提供一條新的途徑。通過把有限元模型的計算結(jié)果與無網(wǎng)格方法所得的結(jié)果進(jìn)行對比分析，說明兩種方法的計算結(jié)

3、果是合理的。 （2）目前裂紋結(jié)構(gòu)的剩余壽命預(yù)測往往是根據(jù)經(jīng)驗選取若干工況對Ⅰ型裂紋的剩余壽命進(jìn)行分析的結(jié)果，理論上會給裂紋結(jié)構(gòu)剩余壽命的預(yù)測帶來誤差。本文提出了移動載荷下的復(fù)合型裂紋結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測方法，即在復(fù)合型裂紋擴展路徑有限元仿真的基礎(chǔ)上，利用Paris公式研究載荷變化過程中裂紋結(jié)構(gòu)剩余壽命的變化規(guī)律，得到載荷位置—裂紋剩余壽命關(guān)系曲線，通過分析載荷位置對裂紋剩余壽命的影響可使裂紋診斷結(jié)果更直觀，更符合工程實際。并通過裂紋

4、試件的聲發(fā)射實驗，得到了裂紋處的聲發(fā)射定位次數(shù)特征，從實驗的角度驗證了由上述預(yù)測方法所得的載荷位置變化對裂紋擴展速率的影響規(guī)律。 （3）在裂紋擴展有限元分析模型中，結(jié)構(gòu)整體相對其內(nèi)部裂紋的幾何尺寸差異懸殊，而分析裂紋擴展的動態(tài)過程中需不斷地修改模型，其難度大，效率低，易出錯，本文提出了參數(shù)化的子模型分析方法，利用Ansys中的APDL技術(shù)建立了參數(shù)化的動態(tài)修改模塊，實現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)的粗糙模型和裂紋結(jié)構(gòu)的子模型分析數(shù)據(jù)文件的動態(tài)關(guān)聯(lián)