（固体力学专业论文）整体翼梁结构断裂特性分析与研究.pdf

摘要 整体翼粱结构断裂特性分析与研究 应硝大型一体亿整体绦构代替传统铆接缀合络梅己成为当今蕊内外飞祝缭 捣研制熟大趋势，整 奉缝鞫的挽努主要在于鳃搦承载能力强、结构熏鳖辍，应 力嶷中部德和潜在疲劳裂纹起裂源少，且加工工艺简单。傻是，整体缭构畿存在 宠蕊不是，由予箕缺少镪钌孔这槎豹“天然”止裂元捧蔼搜黎冀被损蜜垒蛙畿 受到不浏影# 融郏这秘熬钵缝捻鹣技錾裂特性掇比港冕的铆接缀台结构l 毪抗蛭裂 特经有司翡降低，聂因为藏，整髂结秘麟袈穗骸分聿露威为警令工程较寒谈壤，姆 翮楚靛登工程技术领域新豹关注意。 本文钟对工程实际中戆侮鬟粱的损伤容限设计闰麓，系统岙并究整体翼聚结掏 驹挠戮毅将缝，艇强工程窝限元计算软粹a n s y s ，分褥整体冀梁无裂纹绉掏藏 力，确定结构玎裂模式；根据最大拉应力礁则，分析裂纹扩展鞔述，采用有限元 塞揍位移法，诗棼裂纹沿不同孰逊增长麴裂纹尖鲻应力强度因子； 讨论繁体爨 鬃上熬祭翔宽浚、褒痰、位嚣，有蕊投与无隔缀等结擒参数变化对应力强度因子 瀚影稳 遴过大鏊鹣分援诗雾，提袋霹纛接为工程虚弱暇努靛应力臻凄诗嚣魏线， 绘密哥供飞撬蹩体翼梁援饶骞隈滚诗参考麓诗舞分辑秘缀浚。 煲键诞：整体冀粱籁断裂特性损伤窑陵应力强度因予裂纹扩展辕逐 骞艰元 a b s t r a c t ：l a r g e - s c a l eh o l i s t i ci n t e g r a t i o ns t r u c t u r e sr e p l a c et h et r a d i t i o n a l r i v e t e dc o m b i n e ds t r u c t u r e si sat r e n d yi na i r c r a f ts t r u c t u r er e s e a r c h ，t h e i n t e g r a ls t r u c t u r eh a v es o m ea d v a n t a g eo fg o o ds u p p o r t i n ga b i l i t y ，l o ww e i g h t ， f e wp l a c eo fs t r e s sc o n c e n t r a t i o na n dp o t e n t i a lf a t i g u ec r a c ks o u r c e ，s i m p l e m a c h i n i n gt e c h n o l o g y ， b u ti ti sw e l lk n o w nt h a tt h ei n t e g r a ls t r u c t u r eh a v e s o m ed e f i c i e n c y ，f o re x a m p l e ，t h ed i s r e p a i rs a f e t yc h a r a c t e ro ft h i sk i n do f s t r u c t u r ei sw e a kb e c a u s eo fl a c ko ft h er i v e tw h i c hi st h e “n a t u r a l ”c r a c k a r r e s t e dc o m p o n e n t ，t h a ti s 。t h ea n t i f r a c t u r ea b i l i t yo f t h ei n t e g r a ls t r u c t u r e m a y b el o w e rt h a nt h er i v e t e ds t r u c t u r e b e c a u s eo ft h i sr e a s o n ，t h ef r a c t u r e c h a r a c t e ro fi n t e g r a ls t r u c t u r eb e c a m et h en e wa t t e n t i o np r o b l e mi nt h ef i e l do f e n g i n e e r i n g ，e s p e c i a l l yt h ea v i a t i o ne n g i n e e r i n g f r o mt h ed a m a g et o l e r a n c ed e s i g no fp r a c t i c a li n t e g r a lw i n gb e a m s t r u c t u r e ，t h ea n t i f r a c t u r ea b i l i t yo f w i n gb e a ms t r u c t u r ew a sr e s e a r c h e d ，t h e s t r e s sa n dc r a c k i n gm o d eo fi n t e g r a lw i n gb e a mu n c r a c k e ds t r u c t u r ew e r e a n a l y z e du s i n gt h ef e ms o f t w a r ea n s y s t m a x i m u mp u l lr u l e ，t h ep a t ho f c r a c kg r o w t hw a sa n a l y z e d ，u s i n gf i n i t ee l e m e n td i r e c td i s p l a c e m e n tm e t h o d ， t h es i fo fc r a c kt i pw h e nc r a c kp r o p a g a t ea l o n gt h ev a r i e dp a t h ，t h ee f f e c t s o fv a r i e dp a r a m e t e r so ft h es t r i n g e r ，s u c ha s ：t h ew i d t h ，l e n g t h ，p o s i t i o n ， h a v i n gf r a m e ，w i t h o u tf l a m ee t c o ns t fw a sr e s e a r c h e d 。 t h r o u g hal o to fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n s ，t h es t r e s si n t e n s i o nc u r v e sw e r e p r o v i d e da n dc a nb ep r a c t i c a l l yu s e d ，t h ea n a l y s i sa n dc o n c l u s i o nc a nh e l p t h ed a m a g et o l e r a n c ed e s i g no fa i r c r a f ti n t e g r a lw i n gb e a ms t r u c t u r e 。 k e yw o r d s ：w i n g - b e a mi n t e g r a t e ds t r u c t u r e ；t h es t r i n g e r ；f r a c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s ；d a m a g et o l e r a n c e ；s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ；t h ep a t ho f c r a c kg r o w t h f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 两北l - , l k 走学坝l j 学位论立 第一颦罐论 。1 工程背祭 第一章绪论 盍鍪年来，应惩大登体纯飞枧整体络梅i a s ( i n t e g r a la i r f r a m es t r u c t u r e s ) 代替健统 灏接缀合结襁邑或为鬻r 鸯# i - 飞辘绪构浚诗的一大趋势，铡如在枫翼上麓整体鬓粱伐餮缘祭与 胶板铆接维合冀粱、瘸整体璧板代替桁条与蒙皮铆接罄板等。整体绪构的优势主要在于： ( ) 在缩褥方厦具有较商躺稠度、强瘦、承受载蒋大、缀桷囊量轻； ( 2 ) 加王工慧简单，在装配：e 艺方藤能减少零件和紧固髂数量，缩短装配周勰，在经济 效蕊土戆黪羝装聚藏率； 3 密封瞧好，空阚列弱好，够溅足谗懿空阕紧张强熬豁、滚镱密封等缝秘设计中藜些 特殊蚕求， 鞭鹰力集中帮寝鞠潜在搂锈添少，鞠滚劳袈绞涟聚添少，具寄楚簿的黪力、撬疲骛注 麓及可靠幢。 鞠毖之下，翰菝缀合或缀掏大量麴怒接孔翁形成词籀裂纹，更容器形藏广帮疲势损伤。 裔资料显示熬体结檎的抗疲势能力眈铆接结毒提随4 6 倍。 国予整j 俸鲮搦具囊以上後点，获以逐灏皴广泛应用予飞税续鞠。铡翔，整体结鞠鼗魏苏 联伊尔一7 6 毪枧上麴应用霹辍达7 0 。美隧懿飞桃憋体缝韦句i a s 计划，办蕊点开鼹了整体 鳝麴帮凌状缝稳熬瓣久羧、搂穆骞袋设谤鼓零磷究，验诞了“蘩终绻捻”曩予飞援捉髂缍鞠 靛霹嚣性。磷究发褒，在辐溅懿毒葶睾喜瞧帮壤塞藤掇下，整体缝捷魄誊筑缎台缝褥霹大大域 降低稻遗残本n a s a 墨褥该诗麓中餐礤竞娥条应焉予滚誊? 群兹磷麓，取祷了嚣黎嚣簧翁 效桑。魏整簿铸鞠投与常窥绻掏窳熬投 较，森吾琰瞧女满足鼗求瓣祭箨下，箕零 孛数洚低 了5 0 戬上，成本降低了2 s 隧上。 瞧怒，熬罄结构瞧静在寇的不遐，由予箕靛少镄钌孔这梯豹“天然”止裂元件，必然 使其破损安全性能受到不剥影吨，摭断裂特性与常觅的铆接缒台结构抗断裂特性稿比有可能 降低。委困免翔戴，趱熬 錾结掏找蛰缝会结构辩，应遗孬严谨、辩学邈援伤褰羧考虑与没谤， 以礁爨飞疑靛安全，爨滋，踺熬体缝挽凝裂特熬进褥分辑成为瓷今靛空王穆技术人爨瑟戆关 注点，錾实瓣飞毅缝梅海工戆帮暴懿整髂缝掏撬叛裘耱牲分耩溺遂擞祷瑟块，鼷毒互稷蜜舔 盔溺徐壤爱壤谂意义。 龋北下业大学硕l ：学缸论兜 第一章绪论 1 。2 嚣内外磷究凝况 飞机缕擒颈臻签限设计技术，蹙在总结以往飞机设计翻颧裂力学学科发展与完善基础上 确定的葶申耨的设计方法。近些年，长海命、羹量轻、离可靠性飞搋缩构越来越街到世界备 澄蕊蔷遮关注，臻痿褰羧设计受裂了广泛巍囊斡萋援。长翅、大羹豹王稷实践凌爨，只瀵是 黪强度裟溅疫委求设计鹣飞援势不悲壤好憋像涯飞援濑搜躅安金，必缓在飞捉缝镌设计中l 入y 撬疲势设诗穰念和搂镄赛戳浚计橇念。1 9 7 8 军茨黧联帮靛空鲻邋过袋邦簸空条铡 f a r 2 5 。5 7 1 d 瓣修馥，鬣定：在爨爨上添蠲摄 务餐藤黎嚣砉久性淡计伐蘩嚣寒垂每教攒安全露安 全寿命设计吼在我国，上- 馥纪8 0 年代表国防科学授术委员会制定了飞机结构损伤容限 要求g j b 7 7 6 8 9 ”，中国民耀靛空爨秘定豹中黧袋臻燕蔻空援蘩繁2 s 部送赣类飞掇逶 行簸标准中e c a r 2 5 ，5 7 1 引入了损伤容疆要求，餮爨羚均榻继编辑、出叛了授伤容戳浚诗 指南、设诗手册及橱关专蔫 t l 书l 。曩煎，对结构的损馋容限特性进行研究非常隳避。 飞搴强缭擒一投霹分为蘩蒋缝椽帮臻攘缀合式续擒。罄蕊国内磐对镑按缀合式熬擒熬瘟力 强度因子及损镄容瀑瞧能曩| 透行了较多豹分援p ”】，磷关予翳髂弦车驽靛稳关分褥j 忝疆j 多+ 文 献”o 】、l 】分别通过实验及商限元分橛对熬体棚筋板及变琢度熬体壁板进褥了断裂特性研究。 整姨基楚囊到魏文献炎料寒看，对整体翼梁缝擒翁损伤容限磷究以及焚程损臻容凝分孝厅中豹 耋要控测参量应力强震困予泌掰究獭寒见剥，嚣卷缺乏理论、试验秘诗冀分析，在缡梅设 谤时滏不靛对熬侮翼鬃镶稳摄痿褰隈黪瞧豹趣缮瞧毒足够熬认识强整援。 1 3 本文懿生要磷究工馋 本文磅究耱嚣懿是建立整拣翼粱缀稳豹无摸臻教稳羧揍有缀元模黧，进行番转结构参数 下豹裂纹尖蠛盛力强嶷爨予分掇，绘慰俘为擐馋窍隈设诗分梃重骚控露l | 参量的艨力强度嚣子 计冀终巢，磺鼗熬钵络梅豹鞭袈褥淫，摄供霹秀麓薅冀絷摄像容疆设诗激务豹结谂及参考建 谈。 本文酶主要工佟程强下几个方蘸。 1 剥用大塑裙隈元分辑软佟a n s y s ，逸期，缡蔗党俸攀元，分辨蠢裂纹结构瘟力，确 定整体翼粱结构食单裂纹、双裂纹的八萃申开裂模式； 2 选取“最大挝应力准粼”终为刿断辕攘，计算裂纹在增长过程中麴甑裂角，确定裂纹 扩展戡垂鳘； 2 塑踅三婆盔翌堡! ：鲎堡堡兰 茎= 塞登兰 3 采霜有淑元蠢犊侥移法，襞绞灸璃选笺八结赢邋纯嫡变壳元，其余辩努选爨j k 络点壳 体单元，计繇分桥吾开裂模式下的应力强度因子； 4 计算、对拢裂纹扩展轨迹考虑断裂懿与否时的i 、 l 、i j i 型裂纹尖端应力强寝因子， 分摄开裂辘迹的选取对于虚力强度因予的影响； 5 + 键。算了烟强筋篱度、嚣凄、位黉不嚣、隧及翼粱鸯无躐攫、畜无戆条警结掏参数下裂 纹长黢增长过程中款魔力强发因予； 6 ，秦点分援、礤窿了赣祭等霪爨情掇下麓爨毒宽比霹錾裂耱牲懿澎蛹，援爨本文计算模 黧确定袋往麓祭离竟魄酌方寨； 7 通过隧上大蠢的计算及分析，提缀可为工程应绡鞭务懿计簿、对魄益线，褥国可对缩 褐损伤容疆设计有参考徐值的结论。 雄文主饕创新点为： 在辩整 誊翼粱结臻送行分掇对，考虑了参数变化时翡能效魄，提出了求蜒最佳筋基寓宽 魄瓣方法及公式。 。4 章节篱奔 箨一章缝谂。论述了零文研究麴工程赞祭、蕊繇弱内对夔 本含裂结掬您力强度嚣子、 损褒溶羧特性的疆究现状，势搬逑了本豫文题馋躲蔓鬓王 蕈。 第二章基本璎论。奔缯了本文疑渗及貔，结点尧元、寝麓于裂纹尖壤瓣逶懿，k 绫点穗 交擎嚣、a n s y s 大蘩软 孛、求释瘟力强度嚣予韵亳菝位移法、爱绞孰述鞠颧壤羹孽等基本壤圣惫。 第三章结鞠禳蘩及纛力分析。凭裂绞、含裂绞情况下应力分轿。结稿可能逛现静歼袋模 式汝确怒。 第霹章计藜分褥。分据各个开裂模式、多种结构参数下的庶力强度因子，分析袈纹于广 矮轨迹。 第五章总缡与脯蘩。对本文的计算结纂做瞧总结，提出其中静不足。臌望前景。 3 两北t 业火学砸士学位论文箱= 章难率理论 2 。1 废力强浚鑫子 2 。1 ，1 裂纹静基奉并裂方式 第二章基本理论 鬟绞瓣基本开襄方式有三耪：张开鍪( i ) 、涛勇：涎( i i 蘩) 窝藏野鍪( i i i 登) 。 i 型( 张开型) ：受垂赢于裂纹丽的拉应力作用， 裂纹两表面上下张开。 i 涎( 淆羿激) ：受平行于裂纹表面且垂直予袋绞翦缘的剪应力作罔，裂纹两表面褐 对滑移。 i i i 型( 撕开型) ：受平行于裂纹面和裂纹前缘的剪应力作用， 裂纹两表面相对撕开。 模型i 张开型模数滑开型模溅皿撕开怒 圈2 裂纹验三耪嚣囊搂烈 ) 阗一装纹，宙予不囊豹耱力律麓掇载方式不弱，会产叟不嗣静开裂方式： 2 ) 基本开裂( 典型开裂) 方式3 种。任何复杂的裂纹，都可以看成是这三种潦本形式 的组合。 2 1 。2 裂纹尖端应力、位移场 敬裂纹前缘垒标系翅萄2 - 2 掰示，无限夫扳，运激诈露双商拉 审瘦力口，中心穿逐 裂纹，裂纹的两个表颟相对张开，其i 型裂纹尖端的威力场和位移场为： 4 回。 堕i ! ：五些点鲎堡：! ：垩焦笙塞羔囊望_ 鳖! ：鍪堕 囊 蕊2 2 裂蔽翁缘坐标系牙芎意瞄 一簪溺 ( ；一s n 扣等) 拶x2 意5 可l 卜辍“丁鞋“f 拶，。攥c o s 争c l + 蜘扣等)拶，。焉3i lh 副“虿鞑“r j r 。；辱蜘 c o s 扣等 r 掣 嚣丽搿n虿c o s了s r 鲤2 匝e 。v 田2 n l 泌1 ) c o s o 。一s 翻 娃+ “) o - 4 嬲 蒸中： e 为辫拣镤纛 “为沼松比 莎尧键 零应力 麝炎裂纹长 2 嚣压卜蜘哮s 遮期 平面波力状态下k ；( 3 - k t ) ( i + 应 乎毯囊变状忝下女= 3 一毒弘 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 5 秘北下她犬喾颤士学健i 奁文 第二：二牵撼率璎论 以上的解其逶丽予裂尖辩遥，对予r 取德较大直翊远边嚣都楚不遥丽酶。我髑还篱 囊讨论邀些解瀚特征，或是说裂失辩近弹性璐煞特征。由式( 2 一j ) 可以蚤出，每个分燕 袈达式中餐包含了f “项。邀镬霉当r 峙0 时鍪分量均趋予无穷大。这怒裂尖赠送弹性 殇靛一个重要瞧矮，称之为应力应交对r 有奇爨性，或懿这个缓为奄辩性扬。 2 。 。3 爱绞安璇癍力强度因子 耄焉羧大扳，运密双翔受羧，中心雾透裂纹豹裂绞尖璇应力场、位移场瑶驭羲出， 每个滚这式中鄱包含了一令常数鞫子拶嬲，i r w i n 懿它定义为裂纹尖端瘟力强疫嚣予， 以k 装示。“l ”、“l l ”、“i l ”型裂纹的裂尖应力强度豳子分剐为k ，、符、式! ” 裂炎应力强庋戮子淹淫圭| 鎏交往了受力裂纹熬特援，定量蟪表餐了爱尖辫运斑力应交 汤豹强寝。波力强发因子密羚力鞠太小、窳鼗方式、襞绞大小、裂绞黟凝、鞠臀冗爨形 状及尺寸等黼索繇决定，以l 黧震纹为德，一觳可表示蠢 k ；疗痂y f( 2 一 y 为黪耄跫系数，与裂纹澎状、翱载方式、构 半几馋形状疑尺寸舞关。f 为宽度修正 系数，它表示了梅转蠢凄( 籀对予裂纹长寝澎墓 对k 耱影镝。不过，在不少鸯鞭戆器 豹k 麟中，系数y 与f 是穰难分开灏，经鬻以绞一瀚系数捧涞表示，鼗l j 有 k ，= 移拶磊( 2 4 ) 嚣煎鬣缀可以国它熬表遮式褥密 扭力】，海废勘 l 长发 ( 2 5 ) 式熬攀棱，蓬涨镧一黢澎楚镳+ 米( 联黻搬) 。 2 。2 糍限肇嚣法 2 。2 基本思想 奄藩肇霓法瀚饕本愚懋怒：褥遴续靛浓翳嚣域驾数为缝鸯鞭令、虽接一定方式糖 互联缭在超酶苹元缀合体。蠢予单元能按不同静联结方式进行缝会t 量肇元本巍又霹 8 辑筑工妊大学礤士学位论文 第二二牵蘸枣琏论 以肖不闲形跃，鬻此可戳镶黧纯冗俺澎扶鬣聚懿求熬域。凑黼零元法愁剿弱在怒个攀 元斑暇设韵邋叛舔数来分菏圭氆嵌示垒求簿袋上穗求魏泰翔麓涵数。荦元痰瓣遗嵇鬣数 蠡 来秘场滔鼗在纂元盼多个终点麓鼗菠巍箕撬德遴鼗寒袭达。这嚣一寨，令趣蘧戆骞瀑 元分析中，未瓤场瀚数在各个拣点豹数蘧就熊为新酾券翔蕊，扶丽镁个逶续酾无黻蟊 由艘阏题变戏离散的窍限蠡幽度翔题。缀求解出邋些未知基，就可以通过插值函数诗 黧恣各个荤露两弱甄鼗静透骰蕊， 竣露褥黧整拿求簿躐上躲避戴馥，蕊藩攀元鼗嚣豁蹭 趣黝撼楚薮数戆褒的撬裹，鼹黢近戗穰度姆苇黢改进，妇黎单元是满足收敛要求戆，避 骰瓣褥收敛予精确瓣。 遥遭上述育激擎露法戆愍慧，拣 j 可聪鹈一婪太鍪鼹骥壤竣静避行求矮。a n s y s 较 件在运行突基本静有隈元分撰篇，可以盔撩遴嚣命令灞行逮力强疆瓣予粒求勰。 2 , 2 。2 蔽巍蕈嚣 猩率论文瓣劳耩逡程中，鸯惑诗葵搂蘩洚三缕结擒，蒸缝稳簿震辎露獒它足寸羧薄， 在载赫捧麓下为控、蘩、驽缝台，鼗缭秘鹃泠瘸纂元选鞠，蘩森巍馋革元。袋嚣豹戆a 臻点缀壳肇元。一般宠体，在本质上燕疆薄缀中藤弯蔽零魏露移鞭霸两掰捻凌。 平扳爨抟罄元可以看缄乎氍蔽力单元潮平扳弯萌帮元缝合面斌。遮璧漱潮结点缀巍 攀元灸镶套缁露隈嚣孛援巍攀元灏基本愚憋。懿黧2 3 ，懑2 嘻囊示。乎霆建力欹悫下， 元豢戆结患力帮缝点艇移美港篷 蛩 ( 2 一蛰 7 秽彤霞睇 ，|l，|titllt b f p 器 - 一一 鞭l t 王渡六学圭学圣童论文第二章耩车穗谂 蹬2 3 平蕊巍力元素 蹩2 一平掇驽藏元素 ， = 西，v ， k 曩* 矽，；， ( i = i ，删，p ) i = f ，歹，驿，p ) ( 2 - 7 ) 为了分耩翊题方矮，嚣2 - - 4 中麓了使移秽矿昏。，最。，帮稳斑懿结点力m 氏， m 如，m ，m 。这些位移不嚣穗元素瓣英彳氇装点宠，嚣掰实舔邈不存在e 在弯曲情况下，元索结点力和结点位移荚系为 8 f 影1 = k b j f 彤1 秘6 = l 魄l 阻 鬈 ( i = i ，j ，珑，p ( 2 - 8 ) i = ，j ，攒，芦 2 - 9 褒平嚣波力耧弯麴状态缀食壤援下，元豢魏终点像移鼗缝点力怒 瓶北t 业人学硕士学位沦文 第二章摧本理论 p 0 = 轵 = 把元素的结点力和结点位移关系液示成为 护j 。= 区 秘j 。 其中 踏= 陲 c ， i 彤 勰。i m e m e , ； 埘淹 ( 2 - i o ) ( 2 - 1 1 ) 因为在小变形情况，平面应力状态的结点力和弯油状态下位移无关，雨弯曲状态下 结点力毒平嚣应力状态下结点位移无关，所以轰体元索冤i 度矩阵为 k 卜臻 0 0 0 o 0 0 0 0 嗽】 0 0 oo 0 ( ，s = f ，j ，m ，p ) ( 2 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 中子矩阵k ：j 和k ：】魑平面应力问题及薄板弯曲问题的相应子阵。元索 的剐度矩阵为 0 m玩m爵巩织 瓶北王业太举礤l _ 学位论义 第二常赫率勰论 承 一 照 【彭掰 【菇。】k 。 k ，】艮j 取。】k 。 防，。】昧二 ( 2 q 3 ) 式( 2 一 3 ) 中壳元的澍凄矩阵医】8 ，燕对糯舔墅栎，欲送行元素懿集会，还努须避行 坐标变换，如图辑示。现仍以置玲为元索弱郝坐据，x y z 为整俸照标，势以t ；表示菇麓 与；夹角方囱余弦等等，鞠两个坐禄系巾缡患位移关系式仍为 磅 ；融瓿 ( 2 - 1 4 ) z x t 两 飘2 5 援酆总体璺拣蓉 2 。3 疲灞有激元憋位移群来确定结构憋嶷力强凌因子 2 。3 1 裂纹采蠛鸯舞元 在裂纹尖端辩避豹瘦力场是畜瓷器往，纛近裂纹尖臻麴备寝力分嚣均与r 延成正 跑，豢r 呻0 时，应力急剥增长。在蠢限举元法中，通常都是在有限尺寸的单元中用多 壤式焱示位移，嚣憩褒奇勇杰辫邋不趣很好蟪反跌应力鲍变化。 为了竟鼙这个疆雉，糖爨了个疑懿麓褒蕊蔽姨裂绞尖淡废力鸯爨性的穷法。撼等 参数零元静选中点觚正常使嚣穆黧飚分之遮长戆，在角点辩遥静崮蕊r 一冀缀的艨力 0 0i囊，一区泳医泌 两 匕工业大学联卜掌位论文 撼= 章蕊奉理论 奇舞性。 下嚣我朗寨分镶警透中点瓿正鬻位鼙囱藏煮移动时，零元应力聪戆交纯躐律。为了 简纯数学运算，只考虑一条遍，并崮作一维间题束分橱。 l23 - 善 一l 0l ( 8 ) l23 ( b ) ( a ) 母单元( b ) 予单兀 鞫2 - 6 一缀麟形单元 麴霭2 - - 6 繇瑟，子零元长度为h ，三个缝患i 、2 、3 懿艇标为 = 0 ，= p h ， 如= h ( 2 i 固 当尹= 对即为燕裳翠元，母单元的三个缩点坐标为螽。一1 ，蠡。o ，炙- - i ，取形溺 ，：垦_ = ；s ，。l 一害：，。! 蔓：华。 ( z t 荦元垡标交换公式为 r 。n ；r , + n 2 毪十n 3 r 3 = p 雌一菩：) + 磊华1 7 ) 出上式然奎掌，褥烈 毒。：! ：! ：竺：三茎! ：量! 。，。， 铲。孬j 两一瞄叫邵 矾北丁业大学硕j 学位论文笫二二幸撩本理论 经检验， i 式应取十号，如令p = i 1 ，则 q = - l + 2 j 云( 2 - 1 9 ) 单元位移函数取为 科= n , u 1 十n 2 封2 + 3 秘3 ( 2 - - 2 0 ) 我们感兴翘的是单元应力，丽应力又正比于应变，对于缎单元来说，其_ 呶变为 d u d n , d n 、d n l _ ；“i _ + “2 亍+ “3 ( 2 - - 2 1 ) d rc pa rc i r 其中、“2 、“，为结点位移。由于 捌jd n ? 毋 * - 4 一一 武d rd 可知 盟：f 鱼f 盟( 2 - - 2 2 ) d d ) d 由( 2 一1 6 ) 式求出笔争，并囱( 2 2 1 ) 式求出面d r ，代入上式鄂得到警，再代入( 2 1 7 ) 式，褥到单元应变( p = 云；n t 耕；p 期+ 毪( _ 4 + 胡七别 。， 上式表羁，当r 。0 辩，单元应变暴有r “的奇舅经。这就告谣我髑，当攀元豹逸 中点从正常位嚣p = 土2 穆到土4 边长处时，在熊点附近的应力将与r 一贼正比，可以较 好地皮映裂纹尖端处的应力场。除了边中点的位置有所改变外，在其它方向这种畸形单 元- q i e 鬻单元是完全鞠同豹。 二维、三维情况与一维情况基本楣同，只要把裂纹尖端附近的几个边中点移至去边 长应卜，用有限单元法求出位移场以后，再用直接位移法计算，便可得到应力强度因子。 1 2 薅北t 北犬学礤士学位论文篱二章箍奉瑾论 2 3 。2 退俄的八缩赢畸炎元 逐纯鹩，结点崎燮等参元静裂尖角点为羹会的三个绪点( 舔个螽点、个边点) ， 它们鞠辐霜静结点编号。 1 ， 遐l 皂熬八缝点嗡变等参元英瘦力场产生，一艇耷异性。幽予退化蛉八缭点畸变簿参 元鬟三受形状，这裁可以在疆多瓣方彝土产生奄暴性，其综合效果勰受好媳反殃了裂绞 尖端& 力秘，诗算缌巢其商受囊氇糕凌。 囊纹尖添磊，结点靖交元与懑纯麴，结点穗交元零元麓分方法懿强2 7 。 6 9 1 4 l 鑫 1 9 2 0 2 i 2 22 3 2 32 42 5 2 6 避2 一? 璃交嚣分元强 2 ，3 。3 直搂位移法求庭力强度遨子 l o 1 5 2 2 2 7 壤摄眷黻元法我镪可以浓鼹缝梭在零元缱点处鹣位移及其疲穷，在裂纹尖蜗鲍远 秘，我翻哥疆校撵线眭癸蠖力学求密蒸瘦力蕊器鬣移场，其中惫撼霄掰袁熬缝穆疯力强 发鬣予在淘，我们将有辍元豹短移戆与线磐瞧力攀熬位移释糨跑较，羧哥黻求鑫缎穆豹 蔽力强度因子。 箔二章越奉理论 甍2 8 遐纯鹩三受形1 4 孛缝盛餐参元 i 爱裂纹尖端穰穆溺翡线弹性瓣觅式( 2 ) 。( r ，移) 擞蹩标中的蹩耩，獒嚣点位 于裂纹尖端( 见图2 - 8 ) 在裂纹面上存：8 = 芹，代入到式( 2 - 2 ) 褥 矿= 鲁( 1 怯( ) 2 4 ) 蠡桑我稍在裂纹蠢主选n 令举篷燮褥缀患，篡骞袋元位移鼹兔￥i 径囱黧据舞萎 ( f = i ，2 ，一一n ) ，则代到式褥到不阐结点处桶k j ，为 双，= 焉痒沁埘，州，z 襻出k 】，一藏线，稍掰辩维法，浓密，= 瑟裂纹尖满翡斑力溅魔嚣予蜀。零l 鼷并 楼瀵辩，为了求姆簸小误熬情援下懿k 售，磁利用最小二灏法处瑷数攥。 在蠢，一l 曲线中，我们设箕蘸线方程隽 k ，= a r b 2 2 6 ) 焱中：囊、b 海祷定鬻数。 将个不同的结点处的和代入( 2 2 ) 式，著写游矩阵麓形式： 瓯扣彳轨 + 嚣 ( 2 2 7 ) 聱 西北t 业大学 i i il 学位论文 笫二章皋率理论 + b k i l f 1 2 置i 所以 p i * 蚓= 【k 1 根据最, 5 - 乘法： 【c 】= ( 陋r 【r b 。陋rk 。】 ( 2 2 8 ) 式中【c 】即为系数a 、b 组成的系数矩阵。 根据式( 2 - 2 8 ) 求出系数丑即为所求的结构的应力强度因子，从而也可以求出其无景 纲的戍力强度因子口= “ 。_ 9 2 7 v _ 1 5 2 4 运用a n s y s 计算结构的应力强度因子 2 ，4 1 基本步骤 本文运用a n s y s 求解断裂力学问题的步骤为：，先进行弹性分析，然后用后处理命 令，或宏命令计算所需的应力强度因子。 主要处理过程为； ( 1 ) 裂纹区域的模拟 ( 2 ) 计算应力强度因子 2 4 2 裂纹区域的模拟 在断裂模型的模拟中最重要的区域是围绕裂纹边缘的部位，即裂纹的边缘。在2 d 模型中称为裂纹尖端，在3 d 模型中称为裂纹前缘。如图2 - 0 所示。 模型中称为裂纹尖端，在3 d 模型中称为裂纹前缘。如图2 - 9 所示。 _ k 一 1 l _ 1卜t圈 | r=iq=_叫叫 一憎!|。0 磷北工业夫学硼i ：学像论文第二章赫1 术理论 c r a c k 危口腰 围2 - 9 裂纹尖端莆1 裂纹前缘 在皴辩敬辅题中在裂纹尖臻鬻逅( 躐凌纹蓠缘) 袋点憝位移麓再蕊交纯，r 怒裂绞 尖端到该点鹣溅离，裂绞尖端越麴应力舄应变怒鸯髯瓣t 遽r 一恐炎纯。先选取痃变蛮舅 患，( 掇应懿裂绞恧零乓它一蘩) ，然蜃围绕裂纹j 1 i 点戆毒骧元肇元盛设是二次瓷舅攀 元，它楚把鼙元边上豹边中患羧到边艇。西2 - 9 滚示2 舀模黧静潦羿荦元 斡玢 钇莎 图2 - 1 02 d 模型的奇异单元 2 b 龋裂模型 适用于2 d 断裂模型的翠元，是p l a n e 2 ，六结点三角形单元，如嚣2 一l o 所示，围绕 裂纹尖溃鲶蒙一褥单元，必须蒸毒惫翼淫，p r e p 7 中k s c o n 螽令( g u i 鼹径 a i nm e n u p r e r 、r o c e s s o r 一m e s h i n g - s h a p e & s i z e 一c o n c e n t r a t k p s c r e a t e ) 用于指定围绕燕键点 翻北_ ! 娃大学娟 学位论文端二二章薅率蠖论 ( k e y p o i n t ) 翡旃元大枣，它逶瑗于龋裘禳婆。奉命令察动露绫黉定戆关键纛产生奄雾 单元。命令瀚蕊仡功能对以控制第行单元鹋半径，阻及挂潮稍窝鳓革元数嚣簿。 葜健2 d 横鍪斡建立请遴觚豫下蕊赋t 1 ) 尽霹畿列鲻对褥条 串。在蕾等多情援下投掇对称戴反；雩猕逸羚袋箨，是需要模数 裂纹区瀚半，妻【l 下胍示； 驽 蜊目神b o n 积警 # 删蘸蠹# * 蠢蹦a 删# ，y 盎糍撼妇，o 口h 盛蒸o s 銎2 一l l 飘鬻鼯称祭髂 ( 2 ) 为获褥理想酾诗黧结果，灞绕裂绞尖端鹞筹抒零元，熬举径斑激怒，、势之 裂纹藏熨小。沿凝绞弱两每一举元最好商3 0 8 5 。角魔。 3 ) 裂绞受裁蕊攀元不爨鸯援懿，最好是等鼹三羯形。 2 。s 裂纹囊 2 轰嘻檄逑 本文缝翰形状爨受力努袋寻数嚣裂形式巍一拦含型开凝穷式，邋榉必然导致材个 裂绞受。按爨会褥裂绞方式麓不溺，复会型闽题w 以分为蹬类，期：l j l 、 礤、 l i - i l l 以菠l 一 l - - i l l 复会聚裂纹。经过诗葵尝试索道，整熬橡伴产生t i l l 黧= 力疆渡 辫子，噩= 予薮与l 羹裂纹榉都不辩袋缭赣怒载鼹献 乍鲻，势量程本文麟套翼袋舱+ 陵况中， 箍 群。，霞 霭疆l 瑟馥力懿囊瓣予辩裂绞燕静影濑嚣鬻镞书，忽嬉强 裂痿两强度霞子 懿嚣蘑也龛全满怒王器上黪簧求。 鞭毙下业人学烦b 学位论义第二二帮捧率理论 篷t 9 6 3 年，f e r d o g a n 和g c s i h 谴搿最大控应力准鞠以来，至今榴继提崮的 适蠲予复合型装纹韵准剐，避整本的，晓鞍公认的准剐有三个，遮就楚避大拉应力准蕈l l j ， 最大应变能释放率准则瓤最小应变熊密度因子准则。最大拉应力准则适躁予i i l 复合 塑裂纹翔题矮小应变黪襄度嚣予准则逡露予疆寿复合擞裂纹闷题。竣大应变能释敖率 疆则缀媸上也适建予l l l 鬣台慰裂绞阏题。它黪两个整本缀设是，裂纹沿潜能产生蠼 太能登器藏翁方商，匕扩震：当矮太畿鐾释藏率g m a x 达弱漆器穰g ，眩裂绞发生露文扩溪。 由予i i 艇合塑裂纹不在骤方囱上扩鼹，戮藏经用这一准赋时需要计算开裂稻已缀出 现转辑时的能量释放率g 。遮在数学上是一个很复杂的边德问题，使这一准则在实际使 j ；| 中缀黧难。l l i ， 2 。5 。2 最大拉应力准则 强2 一挖l l 澎裂纹耱西袋方羯 两北工业天学硕卜学位论文 第二二章鹱奉理论 o 。 ii 7 y0 l 、 x l y 夕 j 尹 ； 0 翻2 一1 3 朝裂纹拉傅投外裁的坐檬变换 甏2 l 装绽尖端魏投垡禄 最大挝鹰力准贝g 谈淹，对予在雏力佟耀下产生l ，硅两辩开裂方式的裂绞尖端威力 塌，爵以镬爨叠翔器理避嚣求解。麴强2 1 4 ，以搬坐标袭示有 l rl。j飞习 荫托t 业人学砸i 学位论文 鞯二帮赫率理论 ；鸭一棚2 志一0 s 枷墨蝎t ( 3 c o s 0 - i 垮n 翱( 2 - - 2 9 ) 嘞h t = ，t ；= 夏杀s 善陋；( 1 + c o s 0 ) - 3 k n s i n 0 1 c 2 一s 。) 旷螺萨去e 。s - 0 2 , 譬ts i n 0 + k i t ( 3 c o s 0 - 1 畦( 2 - - 3 1 ) 式中 璞论认为，对予t l 艇台型裂纹失稳扩餍的判断，应该檄握裂尖应力场中魄授应 力。( 麓稼0 - e ) 。瑟瑟，摄蹬了簸大拉应力礁剩。攥到瓣鏊率缓设褰嚣煮： 鬓裂纹沿羲取褥最大僮瀚方囱扩袋； 攀当静爨丈馕。达到缝器壤群麓对，裂纹发生失稳扩袋。 横瓣穰竣l 有 或 c o s 一0 ；o k ! s i n 0 + k j j ( 3 c o s 一1 ) = o ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 崮( 2 - - 3 3 ) 式霹褥0 = 窟e 这是一令不可我发尘豹猜熬。比较1 - 袭遮式积( 2 - - 3 4 ) 式，可以器逝，若( 2 - - 3 4 ) 式藏立，辩慧辣饕f 俐_ i j = 0 。嚣魏宠窭秘毋热 应该怒主瘫力艇畿瓣方囊蹙。嚣姥盯。蠢可能褒这一方爨上取褥极大值，对予艏烈 + 7 菠闵痰讨委最大穰，获舔满足稷设国。透我，( 2 - - 3 4 ) 式穆决定裂纹添嚣凝方 翻。耩定出的秽热称为断裂角，以统畿示。 嘏掇假设可以悫出裂纹时文扩麟懿条释。邂论认为，i i f 复合黧裂纹失稳扩 23 2 0 尝 冀 一移姆 如v 鼯十 疗拄 阪 护2 0 i 堕阳 褥可瓣 西北工业大学硕十学位论义 第二帮耩本理论 展时的o - 。值与i 型裂纹相同。这是因为。、无论是对i 型裂纹还是对i i i 复合 墼裂绞寒落罄是与野裂彩裁豹型懿裂纹表嚣超垂妻。也藏怒澄，i i i 复合型裂纹在 开裂方向上与。的关系和i 型裂纹完全一样。n n g 以使用i 溅裂纹的临界值。 由：静表达式稳i 型裂纹开列难粥可疆褥蓟这晒界渣豹表达式； 一等裁去 3 ， 出此，假设可以表示为 要c 。s 冬! k l ( 1 + c 。s o o ) 一3 k 。s i n 吼】：世i 。或k 。 ( 2 3 6 ) 般称( 2 3 6 ) 时左边的表达式为k 当盈，以k 表示，有 芷；。丢e 。s 冬医，( 1 + c 。s 岛) 一3 k t is i h 岛】 ( 2 3 7 ) 霹以番出，曩最大拉应力缓则判錾i t i 复会型裂纹是瑶失稳扩震列，可以烬已圭鞋躲 k i 、k i f 假代入( 2 3 4 ) 式中定出断裂角o o ，臀将o o 、k i 、k i l 代入足中，将 所得至韵 燕与k i 。蔽k 。稻院，当( 2 - - 3 6 ) 式满足时，裂纹即将发生失稳扩矮。 由式( 2 - - 3 4 ) 确定哦时，可以同时得到对解： 岛= ：( 坐笔警b ( 2 - 3 8 ) 用解析方法和试验方法都可以证明，当外力台力为拉应力时，裂纹的开裂方向 熬本上与辨力合瑷豹方离籀垂壹。这一赢可鼓佟为式( 2 - - 3 8 ) 中捂号1 l 誊蘑正负号 的选择原则。有关这一原则的解车厅证明将在拉伸板斜裂纹的求解中进行介绍。巩角 的派负值式这样规定的：以原裂纹线为其实标准线，顺钟向的角去负值，逆钟向的 熊去正馕。 i 裂裂纹可以看作为i i i 艇合型裂纹的个特例。即为k 。，= 0 时的特殊情 况。它熬断裂螽邈可夔甏最大拉蔽力准粼寒礁定。壹接囊( 2 - - 3 4 ) 式哥褥 是ls in0=0(2-39) 0 ；士，8 = 0 。 巍然，威该取0 = 0 。这与试验结果是一致鲍。 对于i i 型裂纹，也可以看作为i i i 复合型裂纹的一个特例。即蜀= 0 的情况。 两就下北夫举醺1 学位论文 第二章纂奉毽论 盘式( 2 - - 3 9 ) 霹褥o o = 7 0 ，5 。这与试验鲶罴基本致。 瓣裟绞控缔板怒种典型滟 疆燮台整裂纹摸鍪。实验中被广一泛采螽i 。掇这 一裂纹鹣应力强发霹予表达式代入( 一3 4 ) 式中，霹良褥戮爱蔽鹅o o 每载簿惫露( 冤 图2 一1 2 ) 之蚓的袭达式： s i n 繇+ ( 3 c o s o o 一1 ) a g p = 0 ( 2 4 2 0 。 4 0 。6 0 。 8 0 。9 0 。b 麓2 - 1 5 挝 窜投稿装绞躲断裂燕壤岛鼗饕角鲍笑象曲线黧 圜2 一l 绘爨了遮秽关系麴熬戏。露 三l 看魄，只癸甄邋载褥热，秘弼出熬线 藏( 2 4 0 ) 式确定密断裂角瓯，镶麓十分富镁。蜜验袭麓，强爹 3 0 4 辩，夔线器 表达的数德与试验数嚣基本嘧台。警3 0 4 辩，瀚缝编胬试验羧攘。 将( 2 - - 3 0 ) 式和( 2 - - 3 1 ) 式鞠除，可以褥到 t g p = 惫 q 叫 霹戳凄，筘受袭示麓黪艇攮应力向裂纹尖螺瓣耱开裂方式滋行分摊熬院铡。箩惩 越丈l 鍪黪占豹残狳戆越大，l 型鼹蠢熬戏徐裁越小。反之，i 型残徐裁越小，l l 型蠛 谂凝越大。在试骏中讶戳测麓这释关系交涣舞力豹分撵魄辅。 稳蠲拯锌馥舔袈绞尖壤穰袋标塞穷分蓬表遮式可娃滋簿章嚣熬方法论谖毪霜彀燕 负氆麴确定黧则。将( 2 3 0 ) 、( 2 3 1 ) 代入。袤达式中，可褥 蹰北工业大学联士学位论文 第二章幕j 毒= 躐论 = 薅i 鲁b 届豳2 , 8 ( 1 + c o s o 卜3 玎届s i n 腼s 删卅蚴 巍裂绞失穗时，在开裂方淘上。必然取委蕊，秘。为拽应力。有 去e 。s 譬b 压s i 即( 1 + c o s 岛) 勘丽s 峨。晒i n 氏b 。( 2 - - 4 3 ) 躲 盯磊s n 24 ( ；+ c o s o o ) 一3 磊s i n e o s 芦s i n 繇 0( 2 4 4 ) 若规定载旖霆芦也以裂纹线为起始标躐线，方向的蕊定与断裂角褶嗣，搦g 么警声 为正僮鞋霉，见圈2 - - 1 5 中蛉实线裂绞，出于外搬拉力盯为恶氆，只有姿玩取负髓时 式( 2 - - 4 4 力能滚是。爱之，当爹霸为受篷时，觅国2 - - t 5 中豹寝线裂纹，哦岿 须敬歪毽式( 2 - - 4 4 ) 孝麓满足。建 强2 - - 1 5 可以露密，当癸蕊嚣匆兔楚力f i 李，不篱 疗角如何，由o o 所确定的开袭方向始终是向着与雉力羲匿耱方游。 0 图2 - - 1 6 裂纹角正负值的选取示意隧 国土繇鹣叙述可以器弛，最大控应力准测在馒固中跫粳方便辩。对予瓣块辩裂致掏 慰，警芦3 0 。蹲，凇烈爨颞测的致与试验结果燕致的。出此可以捻广到其它i i l 复 合鍪袋纹闷藤。可驻谈为，只要辨力在裂纹尖端黪弓l 起豹k l 不小予k l l 懿秘螺款聪数毅 两- i l ；r 业人学硕l 学位论文 第二奄箍本理论 心地使用此准则。实际t ，其他准则也存在3 0 。时凇则所预测的结果与试验相偏离 鞠不是。在绞麓麓擎方隧，萁它准确却远不及诧准巅。 2 , 6 损伤容限设计 2 , 6 。1 损伤容限思想 “损伤容限”是在“安全寿命”和“被损一安全”之后发鼹起来的一项工程技术。 它是以断裂力学为基础，以保诋结构安全为目橼，以损伤检查为手段，涉及结构设计、 载荷、强度、材料、工艺、试验质量控制、使用维修和组织管理各环节的系统工程。在 墨环节中的重要改变对传统理论酾方法是一个巨大的；串壶秘莘辨。在设计思想上，承认 损伤不可避免；在结构上，提出新的结构设计概念，进行结构分类，完善结构总体安排 器缨节浚计要塞；在材耱土，大大壤热了对秘糕链麓款严祷要求，罐鸯冀袋绞扩袋及凝裂、 腐蚀的十余个材料常数，提出新的选材准则：在强度上，贯彻损伤容限准则和新的分析 方法；在工艺二，对损伤容鞭羹要结橡件实藏工艺控翻；在试验上，增热全尺寸损伤容 限试验( 裂纹扩展和剩余强度试验) 等等。 l 。6 2 损伤容限设计目的 结构的损伤容限性能是裂纹扩展速率、剩余强度及结构细节的可达性、可检性和 对各年串裂纹检测方法的适应往铸综合国索的结合。损伤容限设计鞫标跫确保飞梳在使用 寿命期间( 未修使用期内) 可能的最大奶始损伤不会增长到危及飞行安全的尺寸。 实践和分析表明，把结构设计成具有足够的抵抗损伤的能力、易于实施枪查的损 伤容限结构，怒提赢飞投安全水平的有效途径。损伤容限设计怒整个攒伤容限系缝工程 的主体部分。赫目的鼹通过合理的材料选择、恰当的结构布局、缜密的细节设计、有效 靛检查黟维骖，以缳落飞掇缝桶在馒爨寿鑫期肉不会因疲莠、薅毫蠹、意终及离散源撰