弹塑性状态下复合型疲劳裂纹扩展研究

在实际工程中，弹塑性状态下复合型裂纹大量存在。由于涉及到位移的强不连续性和裂纹尖端弹塑性应力状态的复杂性，采用线弹性断裂力学预测疲劳裂纹扩展寿命，或采用传统的有限元法和裂纹萌生扩展准则模拟疲劳裂纹扩展都会遇到很大困难。内聚力模型抛弃了传统断裂力学关于起裂准则的概念，而将裂纹扩展看作是黏着区内材料不断退化的结果，合理地反映了弹塑性状态下材料连续渐进的断裂过程。扩展有限元法是近几年兴起的一种数值计算方法，它基于单位分解构造位移逼近函数，使之包含问题不连续性的基本成分，克服了常规有限元法要求裂纹面与单元边界一致、裂纹扩展以后需要重新划分网格的缺点，在模拟裂纹扩展等不连续问题时极为有效。本课题将内聚力模型和扩展有限元法相结合，模拟弹塑性状态下复合型疲劳裂纹扩展过程，通过数值模拟并进行相关试验验证，形成弹塑性状态下复合型疲劳裂纹扩展寿命的预测方法。

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹是工程结构中常见的裂纹形式，在循环载荷作用下往往会导致零部件的疲劳失效。本研究针对弹塑性状态下复合型疲劳裂纹，应用扩展有限元结合循环内聚力模型的方法进行了研究。采用FORTRAN语言，通过ABAQUS用户子程序UEL进行二次开发，编写了结合循环内聚力模型的扩展有限元程序，同时采用ABAQUS脚本语言PYTHON编写用于显示计算结果的后处理程序。为复合型裂纹扩展的数值模拟提供数据支撑，进行了复合型疲劳裂纹扩展试验的整体方案设计，完成了不同加载角度下的复合型疲劳裂纹扩展试验。通过引入表征材料延性的参数λ，提出了可同时用于描述延性断裂和脆性断裂的统一内聚力模型。用扩展有限元结合循环内聚力模型的方法预测了CTS试件中疲劳裂纹扩展过程，修正了内聚力模型中用于描述循环损伤的损伤演化方程，研究了加载角度、载荷幅值和应力比对疲劳裂纹扩展的影响，提出了弹塑性状态下复合型疲劳裂纹扩展寿命预测模型。目前，已发表由本基金项目资助并进行标注的SCI检索期刊论文7 篇。