毕业论文（设计）开题报告（变幅载荷作用下圆管形金属材料多轴疲劳行为数值计算）.doc

本科毕业设计（论文）开题报告题目：变幅载荷作用下圆管形金属材料多轴疲劳行为数值计算学生姓名学号教学院系专业年级指导教师 职称 单位一、目的意义和国内外研究概况：1、论文的研究意义：钻井过程中，钻杆或钻具是在复杂加载条件条件下工作的，一些承载构件通常承受的是一种多轴随机载荷作用。因此，系统深入地研究多轴疲劳理论对钻具疲劳失效具有非常重要的工程实际意义。本课题采用试验（取钻井现场钻具失效数据记录）与数值分析相结合的方法，选用钻井材料中常用的35CrMo材料作为研究对象：对圆管试件进行一系列压扭复合加载试验。探讨各种加载路径对疲劳寿命的影响，分析多轴疲劳损伤临界面上的应力应变状态，寻找出一种新的具有明确物理意义的多轴疲劳破坏准则2、国内外研究概况：多轴疲劳是指疲劳损伤发生在多轴应力状态下，即两个或三个主应力（主应变）的方向和幅度随时间变化。如果主应力（主应变）的幅值随时间发生变化，而其方向并不随时间改变，此时结构承受的是比例载荷；如果主应力（主应变）不仅幅度改变，而且方向也随着时间的改变而发生改变，那么结构承受的就是非比例载荷。对多轴疲劳的研究起始于19世纪80年代，仅比Wohler提出“耐久极限”概念的时间晚了不到30年。1886年，Lanza进行了比例弯扭复合加载试验，对多轴疲劳问题进行了初步研究。但是，目前对于多轴疲劳理论的研究还没有像单轴疲劳理论研究那样全面、深入。这是因为相对于单轴疲劳而言，多轴疲劳无论是在力学分析方面、试验研究方面、乃至物理机制方面都更为复杂。当材料在非比例循环载荷作用下，由于应力和应变主轴的不断旋转，开动了更多的滑移系，疲劳裂纹可以在不同的方向、不同的平面内形成。不同滑移系的位错交互作用，导致了与比例循环载荷下不同的材料响应。因此，在多轴疲劳情况下，循环应力应变关系、疲劳裂纹萌生和扩展方向、疲劳寿命、疲劳累积理论等各方面将受到更多因素的影响。近年来，由于新一代电液伺服多轴疲劳试验机的出现，使零构件在实际服役中受到的复杂载荷历史得以再现，为多轴疲劳研究提供了有力的手段，从而使人们能够更深入地研究多轴疲劳机制，使多轴疲劳研究取得了很大进展。金属材料的多轴疲劳行为与寿命估算目前广泛开展的关于多轴疲劳的研究大致可分为以下几类：(1)多轴疲劳试验技术的发展以及为验证已有的分析方法提供试验数。(2)发展和评估多轴疲劳寿命预测方法；(3)变幅和随机载荷作用下的多轴疲劳研究；(4)缺口构件的多轴疲劳问题；(5)多轴本构方程的发展，尤其是非比例加载下的弹塑性本构方程的发。二、国内外圆管多轴疲劳行为的发展及研究动向：1、研究内容、研究目标和拟解决的关键问题：1.1 研究内容 ：本课题以钻井材料中常用的35CrMo为作用对象，研究在变幅和随机载荷作用下其圆管现状的多轴疲劳行为，并对比井场记录数据，进行数值分析。具体内容如下: （1）对35CrMo圆管进行多种比例和非比例压扭复合加载数值分析，探讨各种加载路径对疲劳寿命的影响。（2）对35CrMo圆管缺口试件进行多种比例和非比例压扭复合加载数值分析，研究缺口孔边裂纹萌生方向与各应力、应变参数以及疲劳损伤参量之间的关系，确定合理的临界面定义。（3）基于临界面方法，重点对临界面上的各应力、应变参数与疲劳寿命的关系进行深入分析，寻找出一个新的具有明确物理意义的多轴疲劳损伤参量。（4）探讨35CrMo在多轴载荷下的疲劳损伤累积规律，建立一个新的非线性多轴疲劳损伤累积模型，使之不仅适用于多轴变幅加载情况，而且适用于多轴变路径加载情况。1.2 研究目标 ：（1）以35CrMo材料作为研究对象：对圆管试件进行一系列压扭复合加载数值分析。（2）探讨各种加载路径对疲劳寿命的影响，分析多轴疲劳损伤临界面上的应力应变状态，寻找出一种新的具有明确物理意义的多轴疲劳破坏准则。 1.3 拟解决的关键问题 ：（1）35CrMo圆管加载路径对疲劳寿命的影响。（2）35CrMo合理的临界面的确定。（3）寻找出一个新的具有明确物理意义的多轴疲劳损伤参量，建立一个新的非线性多轴疲劳损伤累积模型。2.圆管疲劳行为和应力分析：2.1圆管疲劳行为的研究趋势：薄壁管试验件是一个简单的几何结构，可以通过对其施加多种形式的载荷，如拉、扭、内压、外压等，来实现各种需要的应力或者应变状态。而且，即使在塑性范围内也可以对薄壁管试验件进行精确的应力应变分析。由此可知薄壁管试验件是最符合要求的多轴疲劳试验件。2.2理论基础：图1 薄壁圆管试验件rNmN = C （1）rN称为有限疲劳极限，脚标r代表该应力的应力比，N代表相应的应力循环次数，C代表某一常数。2.3光滑薄壁圆管的应力应变分析单元体上的应力状态是用三个正交平面上的六个应力分量来描述的，它们是图2所示的直角坐标系中的三个法向应力x、y、z，和三个剪应力xy、yz、zx。这里法向应力的下标表示法向应力作用平面的法线方向；剪应力的第一个脚标表示剪应力作用平面的法线方向，第二个角标表示剪应力的方向平行的轴线。规定法向应力以拉应力为正而压应力为负，剪应力对单元体内任意点的矩为顺时针转向时为正，反之为负。按照上述规则，在图2中，x、y、z、xy、xz、zy为正，yx、yz、zx为负。 图2 单元应力状态第一种多轴疲劳试验方法的主要缺点是对于试验结果的分析很困难。首先，对不同形状的试验件进行应力应变分布以及应力梯度效应分析很困难；其次，由于裂纹萌生和扩展行为的变化，不同几何形状的试验件本身对疲劳寿命也存在影响。因此，由一种几何形状的试验件得到的多轴疲劳试验数据很难与由其它几何形状的试验件得到的试验数据相比较。为了比较应力应变状态和主应力方向对疲劳行为的影响，必须将所有的试验在相同条件下进行。这更加需要能够在同样形状的试验件上实现与任意主应力方向相对应的应力应变状态。十字花试验件可以实现这一目标，但是试验加载系统必须是两套相互独立的系统，试验系统复杂，试验费用昂贵。薄壁管试验件是一个简单的几何结构，可以通过对其施加多种形式的载荷，如拉、扭、内压、外压等，来实现各种需要的应力或者应变状态。而且，即使在塑性范围内也可以对薄壁管试验件进行精确的应力应变分析。由此可知薄壁管试验件是最符合要求的多轴疲劳试验件,对薄壁圆管试验件的优缺点进行过详细的讨论,金属材料的多轴疲劳行为与寿命估算。3.多轴疲劳破坏准则国内外已有众多学者对多轴加载下如何预测构件的疲劳寿命进行了广泛研究，并提出许多适用于不同材料、不同载荷情况的疲劳破坏准则。Garud等从不同角度，对不同时期的疲劳准则进行过回顾。依据材料疲劳破坏参量，可将疲劳破坏准则划分为三类：应力准则、应变准则和能量准则。对于一些材料在非比例循环加载下的循环本构行为的实验研究已表明，非比例循环载荷将产生明显的附加强化效应。许多学者提出，这种附加强化效应是导致多轴非比例加载时的疲劳寿命降低的主要原因。因此按照常规的寿命预测方法对多轴非比例加载下的零部件进行疲劳寿命预测，将得到偏于危险的预测结果。3.1应力准则早期的研究者试图应用静强度理论解决多轴疲劳问题，其中常用的有最大正应力准则、最大剪应力准则（Tresca准则）以及Von Mises准则。但实际应用中发现，这些准则不能很好地描述试验数据，尤其是在非比例载荷情况下，预测的疲劳寿命偏于危险。三、拟采用的研究思路（方法、技术路线、可行性分析）1、先用传统方法：依靠传统的经验及方法，即依靠经典的材料力学、弹性力学、结构力学的经验公式，对实际结构和边界条件做大量的简化和理想化再进行分析设计，或采用很大的安全系数来确保运行中所遇到的突发情况的安全性。钻杆、钻具这样的金属圆管及其零部件都是非常大型化的设备，不可能做出样机进行试验，而模型试验同样费时费钱。虽然传统的方法具有一定的可靠性和科学性，但也存在明显的不足。由于经验设计带有相当的盲目性，每次的机构设计改进都不会有明显的突破，使得其整体的结构强度、刚度问题都不能得到合理的解决，也不能对结构的应力分布及刚度分布进行定量的分析。设计中不可避免的造成结构各部分强度分配不合理的现象，使得整个结构设计的成本提高，而且某些部位强度不够，容易引发事故，某些部位强度又过于富裕，造成浪费，从而使整个结构不能达到优化设计的目的。不仅如此，传统方法设计周期长，使得机构的更新换代的速度比较慢，不能与现代化商品生产竞争相适应。2、使用有限元方法进行研究：有限元法经过多年的发展，尤其是近十年来，随着计算机技术的飞速发展，已成为工程力学问题数值分析的有效方法之一。在石油设备中，经常会遇到一些结构、载荷和边界复杂的设备，如井下杆管校、化工容器和管系。而这些设备在设计和生产运行中都需要一定的安全可靠度，特别是有些设备是在高温高压、有毒介质和井下等恶劣环境工作，其安全可靠度要求就更高，于是需要石油设备力学分析更加准确。有限元法与其它方法相比，具有明显的优越性，它可以Xj放少的简化，模拟复杂设备的实际受力状态，所得的数值解一般都能满足石油工程的需要，为确保石油设备的安全可靠工作提供了一种行之有效的分析技术。在设计所有石油设备中，首先要满足于工艺提出的各种要求，其次要保证设备能够安全可靠的工作，尤其是在高温高压、有毒介质和井下工作时的设备安全可靠度要求更高，这就需要对石油设备的力学分析更加准确，方可提供可靠的理论依据，确保石油设备的安全可靠运行。四、设计（论文）预期的结果1、完成圆管多轴疲劳行为的各项力学计算及校验。2、绘制改进的实体造型图样、CAD图样并提交电子文档。3、完成金属圆管实体造型图样，进行有限元分析，并提交电子文档。4、完成设计说明书，在设计说明书中应列出理论分析，设计计算和分析步骤。提交设计说明书的电子文档。5、完成有关圆管形金属材料多轴疲劳行为计算的英文资料翻译一份，20000英文字符以上，提交电子文档。五、设计（论文）进度安排1、明确题目及要求，写出开题报告； （4.54.10 ）2、研究圆管多轴疲劳行为计算机理，掌握ANSYS使用； （4.114.22 ）3、完成多轴金属圆管受力分析及单元体的应力应变计算； （4.235.30 ）4、完成金属圆管的有限元模型分析及仿真； （5.165.31）5、整理，编写设计说明书以及外文资料； （6.016.10）6、提交毕业论文全部资料、最终答辩。 （6.116.22）六、论证小组论证意见： 论证小组签名： 年 月 日七、参考文献： 1王英玉,姚卫星.材料多轴疲劳破坏准则回顾,第十一届全国疲劳与断裂学术会议,西安,2002：66-692 陈旭,田涛,安柯.1Cr18Ni9Ti不锈钢的非比例循环强化性能,力学学报,2001,33(5):698-705 3 You BR, Lee SB.A critical review on multi axial fatigue assessments of metals. Int. J. Fatigue 2006,18(4):235-244 4 Jiang Y, Ding F, Feng M. An approach for fatigue life prediction J. ASME Journal of Engineering Materials and Technology, 2007, 129(2): 182一189. 5 Sehitoglu H, Gall K, GarciaA. Recent advances in fatigue crack growth modeling J. International Journal of Fracture, 1996, 80(2): 165一192. 6 Kujawski D. A new driving force parameter for crack growth in aluminum alloys J. International Journal of Fatigue, 2001，23(8): 733-740. 7 Noroozi AH, Glinka C. Lambent S. A two parameter driving force for fatigue crack growth analysis J. International Journal of Fatigue, 2005, 27(10-12): 1277-1296. 8 Hurley PJ, Evans WJ. A new method for predicting fatigue crack propagation rates J. Materials Science and Engineering: A, 2007, 466(1-2): 265-273. 9 Zhang J, Zh