裂纹加固效果理论分析及实验研究

• 作 者: 芮燕杰
• 出 处: 重庆大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 桥接力 线性弹簧模型 应力强度因子

裂纹扩展是材料破坏的主要因素之一,加固裂纹可以延缓裂纹的扩展,提高构件的强度并且延长其使用寿命。在实践中加固裂纹的方法很多,例如:贴补丁法、焊接法、自愈法等,上述加固方法在理论中可以模拟成裂纹上下表面存在桥接力作用。本文主要研究桥接力作用对裂纹加固效果的影响,具体内容如下:1.本文提出了一种新的描述桥接力作用的解析模型。在此模型中,用非均匀线性弹簧模型模拟了裂纹表面的桥接力作用,并且针对I型和Ⅲ型裂纹开展了研究。在研究中采用复变函数法和保角映射技术,得到了问题的闭合解,并建立了应力强度因子与弹簧刚度之间的显式关系。结果表明,应力强度因子随着弹簧刚度的增加而显著降低。在桥接力作用下,当裂纹长度a相对较小时,本模型给出的应力强度因子会随着裂纹长度a的增长而增大,当裂纹长度a达到临界长度后,应力强度因子随着裂纹长度的增长而减小。2.实验测量了I型裂纹在桥接力作用下的应力强度因子。在实验中分别研究了桥接力为零和不为零时应力强度因子与外力、裂纹长度之间的关系,结果表明应力强度因子随着外力的增加而线性增加。当桥接力不为零时,实验测得的弹簧刚度与应力强度因子之间的关系,与理论模型的预测结果可以取得合理的一致。3.利用ANSYS有限元分析软件,应用非均匀线性弹簧模型模拟裂纹表面桥接力的作用,建立了在桥接力作用下的I型裂纹模型,用积分法求解了应力强度因子。结果表明桥接力能明显降低应力强度因子。有限元分析结果与理论模型的预测结果相互吻合。4.理论模型的预测结果可以与实验数据、有限元分析结果取得合理的一致,表明了本论文所提出的理论模型能够合理地描述桥接力的作用,预测裂纹的加固效果。本论文中所提出的模型以及结论可以为航空、机械构件中的裂纹加固提供设计及理论基础。