疲勞裂紋;擴(kuò)展速率;門檻值;剩余壽命;測試系統(tǒng)精講課件

1、哈爾濱石油學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文論文題目: 斷裂力學(xué)疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律研究院 系: 石油工程系專 業(yè): 石油工程姓 名: 齊道源指導(dǎo)教師: 李 其哈爾濱石油學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文論文題目: 斷裂力學(xué)疲勞裂紋擴(kuò)展主要內(nèi)容1.研究疲勞裂紋擴(kuò)展的意義2.研究內(nèi)容及方法3.論文總結(jié)主要內(nèi)容1.研究疲勞裂紋擴(kuò)展的意義2.研究內(nèi)容及方法3.論文1.研究疲勞裂紋擴(kuò)展的意義 (1) 疲勞研究的主要目的是精確地估算機(jī)械結(jié)構(gòu)的零構(gòu)件的疲勞壽命，保證在服役期內(nèi)構(gòu)件不會發(fā)生疲勞失效；采用經(jīng)濟(jì)而有效的技術(shù)和管理措施以延長疲勞壽命，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)產(chǎn)品在國內(nèi)外市場上的競爭力。因此，對材料和構(gòu)件的疲勞研究仍為國內(nèi)外學(xué)者和工程界所關(guān)

2、注。1.研究疲勞裂紋擴(kuò)展的意義 (1) 疲勞研究的研究疲勞裂紋擴(kuò)展的意義 (2)在零件有初始缺陷或在使用壽命中出現(xiàn)裂紋，發(fā)生破損時(shí)，只要保持有一定的剩余強(qiáng)度，仍能夠正常使用，則可不必立即更換，必須隨時(shí)掌握裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，對裂紋擴(kuò)展剩余壽命有正確的估計(jì)。研究疲勞裂紋擴(kuò)展的意義 (2)在零件有初始缺陷或在 (3)由于構(gòu)件在加工制造或使用過程中，裂紋的出現(xiàn)是不可避免的，因此，用斷裂力學(xué)研究裂紋的擴(kuò)展特性，保證帶裂紋的構(gòu)件不致因裂紋擴(kuò)展而斷裂，就需要研究這些材料的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律。所以研究疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律在現(xiàn)實(shí)生活和工程中是十分必要的。研究疲勞裂紋擴(kuò)展的意義 (3)由于構(gòu)件在加工制造或使用過程中，裂紋的

3、出2.研究內(nèi)容及方法對于疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律的研究，主要是尋求裂紋擴(kuò)展速率與各有關(guān)參量之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。其中較常用的有Paris公式、Walker公式、Forman公式、在這些描述裂紋擴(kuò)展率關(guān)系的各種計(jì)算公式中，最著名的、最具代表性的、應(yīng)用最廣泛的，并為大多數(shù)國家工程實(shí)際上所采用的是Paris公式。.裂紋擴(kuò)展速率及門檻值Paris公式2.研究內(nèi)容及方法對于疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律的研究，主要是尋求研究內(nèi)容及方法 式中，為材料常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。對各種金屬材料，大約=27之間。與材料力學(xué)性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)。研究內(nèi)容及方法 式中，為材料常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。對各種金研究內(nèi)容及方法基于積分的疲勞裂紋擴(kuò)展速率公式 實(shí)驗(yàn)

4、表明，裂紋擴(kuò)展速率與交變載荷作用下的積分變化范圍之間存在著類似Paris公式的冪函數(shù)關(guān)系，可以用一般式表示為：式中：、為與材料有關(guān)的常數(shù)。研究內(nèi)容及方法基于積分的疲勞裂紋擴(kuò)展速率公式 實(shí)驗(yàn)表研究內(nèi)容及方法積分疲勞裂紋擴(kuò)展率公式中參數(shù)的確定。選取文獻(xiàn)9中的數(shù)據(jù)，以壓力容器業(yè)最常用的材料16 MnR為例，利用最小二乘法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到式中的參數(shù)，。列出擬合后得到的結(jié)果以及 結(jié)果如下圖。研究內(nèi)容及方法積分疲勞裂紋擴(kuò)展率公式中參數(shù)的確定。選取研究內(nèi)容及方法16MnR的 擬和曲線用最小二乘法擬合得到的壓力容器業(yè)常用材料16 MnR的 積分疲勞裂紋擴(kuò)展公式為：研究內(nèi)容及方法16MnR的 研究內(nèi)容及

5、方法疲勞裂紋擴(kuò)展理論門檻值 從理論上，門檻值 是指疲勞裂紋擴(kuò)展速率 所對應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子變程 ，實(shí)際中難以直接測量，故目前工程中規(guī)定用，mm/ cycle所對應(yīng)的值作為門檻值來取而代之 。美國試驗(yàn)與材料學(xué)會(ASTM) 和中國國家標(biāo)準(zhǔn)局先后給出了類似的確定方法。為區(qū)別，將前者稱之為理論門檻值 而將后者稱之為實(shí)用門檻值 研究內(nèi)容及方法疲勞裂紋擴(kuò)展理論門檻值 從理論研究內(nèi)容及方法 若理論門檻值 與實(shí)用門檻值 相差很小，用后者替代前者當(dāng)然可行。但有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng) 時(shí)，仍能觀測到裂紋的明顯擴(kuò)展。對于有的材料， 與 之間的差別是明顯的。在這樣的場合，將材料的實(shí)用門檻值代替理論門檻值用于結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計(jì)，

6、無疑將冒風(fēng)險(xiǎn)。因此，找到一種較為可靠的確定理論門檻值的方法就顯得很有意義。研究內(nèi)容及方法 若理論門檻值 與實(shí)用研究內(nèi)容及方法 王永廉于1987年提出過一個(gè)適用性廣泛的疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式：大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，該表達(dá)式能夠很好地描述疲勞裂紋擴(kuò)展全過程。表達(dá)式中一共包含了8個(gè)參數(shù)。注意到，當(dāng) 時(shí)， ，故其中的 即為材料的理論門檻值 。 所有這8個(gè)參數(shù)均可直接由疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合確定。研究內(nèi)容及方法 王永廉于1987年提出過一個(gè)適研究內(nèi)容及方法2.2 表面疲勞裂紋監(jiān)測 監(jiān)測系統(tǒng)硬件配置 表面疲勞裂紋監(jiān)測系統(tǒng)主要用于對結(jié)構(gòu)件表面疲勞裂紋進(jìn)行監(jiān)測，系統(tǒng)硬件包括直流恒流源、放大電路、A/D為采集板和

7、BM -PC計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。表面裂紋監(jiān)測系統(tǒng)工作原理如下圖所示。 研究內(nèi)容及方法2.2 表面疲勞裂紋監(jiān)測 監(jiān)測系統(tǒng)硬件配置 研究內(nèi)容及方法 表面疲勞裂紋監(jiān)測系統(tǒng)研制的目的，就是可對使用中的易損機(jī)械構(gòu)件進(jìn)行定期或長期監(jiān)測，實(shí)時(shí)觀察疲勞裂紋擴(kuò)展情況，及時(shí)獲取信息，確保機(jī)械構(gòu)件的安全工作。研究內(nèi)容及方法 表面疲勞裂紋監(jiān)測系統(tǒng)研制的目的，監(jiān)測系統(tǒng)軟件 表面疲勞裂紋監(jiān)測系統(tǒng)軟件全部由C語言編程。系統(tǒng)特點(diǎn)如下：研究內(nèi)容及方法通過人機(jī)對話方式對采樣參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，操作簡便；數(shù)據(jù)采集采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷方式進(jìn)行，采集過程中可對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)顯示采樣數(shù)據(jù)、波形和圖形，不影響數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性；監(jiān)測系統(tǒng)軟件 表面

8、疲勞裂紋監(jiān)測系統(tǒng)軟件全部由C語言編程。研究內(nèi)容及方法采樣監(jiān)視階段，可對采樣數(shù)據(jù)的漂移做進(jìn)一步的調(diào)零處理，使采樣精度大大提高；實(shí)現(xiàn)了對采樣時(shí)間的累加與再現(xiàn)，為疲勞壽命預(yù)測提供了依據(jù)；根據(jù)設(shè)定報(bào)警限實(shí)時(shí)報(bào)警，以測得的裂紋值作為初始裂紋，按照損傷容限設(shè)計(jì)理論實(shí)時(shí)預(yù)測疲勞裂紋剩余壽命；研究內(nèi)容及方法采樣監(jiān)視階段，可對采樣數(shù)據(jù)的漂移做進(jìn)一步的調(diào)采用裂紋片測試裂紋，既可用于金屬，亦可用于非金屬。其輸出只與裂紋長度有關(guān)，而與試件形狀無關(guān)。因而可設(shè)計(jì)成各種外形以適應(yīng)不同部位的測試要求。研究內(nèi)容及方法采用裂紋片測試裂紋，既可用于金屬，亦可用于非金屬。其輸出只研究內(nèi)容及方法2.3影響裂紋擴(kuò)展速率的因素 各種因素對

9、 的影響，可分為兩類：加大 的因素和減少 的因素。平均應(yīng)力為拉應(yīng)力，高溫，低頻率等因素，均加大 ；平均應(yīng)力為壓應(yīng)力，過載峰，高頻率等因素，均減小 。研究內(nèi)容及方法2.3影響裂紋擴(kuò)展速率的因素 各種研究內(nèi)容及方法2.4 積分疲勞壽命估算 利用 模型推得的裂紋尖端張開位移計(jì)算公式：以及此模型下 積分與COD值 的在平面應(yīng)力狀態(tài)下的換算公式：研究內(nèi)容及方法2.4 積分疲勞壽命估算 利研究內(nèi)容及方法得到的 模型的 積分表達(dá)式：代入 積分裂紋擴(kuò)展率公式得 ：分離變量，積分后得裂紋從 擴(kuò)展到 時(shí)的循環(huán)數(shù) 為：研究內(nèi)容及方法得到的 模型的 積分研究內(nèi)容及方法當(dāng) 時(shí)當(dāng) 時(shí)研究內(nèi)容及方法當(dāng) 時(shí)當(dāng) 時(shí)研究內(nèi)容及方

10、法 上面兩式即為 模型下的基于 積分的裂紋壽命公式。 為方便工程計(jì)算，考慮到：對上式進(jìn)行化簡得上式即為基于 積分的裂紋疲勞壽命工程計(jì)算公式。 研究內(nèi)容及方法 上面兩式即為 研究內(nèi)容及方法 對于平面應(yīng)變狀態(tài)，仍然近似地借用 模型，不同之處是用取代 式 中的得到按上面方法就可以得到平面應(yīng)變狀態(tài)下的裂紋壽命估算公式。研究內(nèi)容及方法 對于平面應(yīng)變狀態(tài)，仍然近似地借用3. 論文總結(jié) (1) 基于 積分理論研究疲勞裂紋擴(kuò)展速率的計(jì)算方法，推導(dǎo)出的疲勞壽命計(jì)算公式是以彈塑性斷裂理論為基礎(chǔ)，理論上講，對于工程中廣泛存在的應(yīng)變疲勞問題應(yīng)用此方法估算疲勞壽命，比使用基于線彈性理論得出的疲勞壽命計(jì)算公式求解更為合理。3. 論文總結(jié) (1) 基于 積分理論研究疲論文總結(jié)(2)對影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素進(jìn)行分析，提出表面疲勞裂紋監(jiān)測系統(tǒng)框圖，說明在工程中應(yīng)用的意義及特點(diǎn)。論文總結(jié)(2)對影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素