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立式铣床润滑系统及切削液供给系统设计,立式,铣床,润滑,系统,切削,供给,设计
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英文文献翻译微动疲劳下二阶裂纹拓展的力学分析B. Yang a,*, S. Mall ba美国，FL 32901，墨尔本，佛罗里达理工学院，机械与航空航天工程系 b 美国，OH 45433,代顿，赖特-帕特森空军基地，航空技术学院，飞行技术与航空系摘要通过实验观察的启发，我们用高效，准确的边界元法对微动疲劳下的两阶段裂纹扩展进行了数值分析。首先，我们在循环载荷中的应力场变化开始分析。考虑到摩擦接触区是已被证明的相当影响应力场系数的多种因素。那么，假设发生裂纹萌生于剪切模量中，表面开口裂纹引入到标本在剪应力幅值最高位置。裂纹尖端的应力强度因子（应力强度因子）适合于各种不同裂缝长度和裂缝角度，大致至左右的接触面。结果表明，对于载荷比为0.5的来说，它的循环模式- II的应力强度因子裂纹长度的增加幅度减少，同时其平均值就增加。这表明，在（第一阶段）剪切裂缝迟早会成为休眠状态，或切换到另一个模式，一个可以提供裂纹继续扩展的模式。然后，第一阶段剪切裂缝被人为得弯折成第二个阶段的开放式裂纹，接着我们就要分析后续的驱动力。事实表明，只有当第一阶段的裂纹增长到一定的长度时才能有利于弯折的结果。因此，本研究提供了两个阶段裂纹扩展在力学上深刻见解，并且频繁观察了在微动疲劳下的典型的燕尾结合。同时也建议改进实验装置来定量调查燕尾结合中的微动疲劳。关键词：边界元法；接触力学；裂纹开裂；裂纹弯折；燕尾结合；断裂力学；摩擦力;微动疲劳1导论危险应力状态出现在两配合零件的接触区会导致局部塑性变形和损坏。如果载荷是循环的，就会更加危险，从而导致裂纹开裂且扩展。这种包含裂纹扩展的损坏过程被称为微动疲劳。它实际上已分为两个阶段，即萌生与扩展阶段，这取决于裂纹尺寸的大小，它可以由有效的无损评估技术检测到。起始阶段包括早期裂纹扩展到几百微米。与此同时，传播阶段是后续的裂纹增长，直至结构破坏。在起始阶段，人们发现裂缝发展经常倾向于从接触面的表面。然后，他们弯折并最终传播到大型张力正常，并表现出典型的两阶段裂纹的萌生和发展模式。为了表征微动疲劳裂纹萌生，研究员们利用剪应力幅值作为以压力为基础方法的关键参数。莱金斯等人后来通过将数值模拟与实验相结合发现圆筒上的平面和平面上的平面接触的微动疲劳裂纹萌生的地点是可以合理地解释这个参数配置分析。此外，杨和莫应用了裂纹模拟模型/断裂力学的方法来研究初始驱动力模式- I和模式- II的裂缝边缘的接触带的摩擦系数来作为关键参数。通过与实验结果进行比较，他们发现，微动疲劳裂纹萌生在剪切模式了。另一方面，在一个最初磨损的缝隙所观察到的扭结暗示从剪切断裂机制到开放模式转变。一些裂缝力学为基础的方法已被用于分析微动疲劳裂纹的萌生和发展，没有把它们分开，在任何一种开放模式或沿指定路径混合模式的条件。然而，这两个裂解过程中的关于微动疲劳阶段参数研究尚未文献报道。与此同时，一些以关键平面为基础的方法在没有任何断裂力学的原理的情况下提出了一些考虑预测裂纹萌生寿命的应力以在接触表面裂纹萌生应变振幅为基础。这些关键面为基础的方法可以得到改善，如果两个阶段裂纹的萌生和早期生长的考虑在内。这促使现有的研究。在目前的工作，我们数学上模拟了的两个阶段的开裂微动疲劳的实验观察指导的过程。首先，对应力场的一个典型负荷周期的变化进行了分析。摩擦系数在接触带不同的值进行检查，这证明它是相当的影响了应力场。然后，一个表面破剪型裂纹在最高剪应力振幅接触区的位置被引进了。裂纹尖端的应力强度因子（SIF）有各种计算裂纹长度，范围从25到45左右的接触面不同裂缝方位角度。它是那么扭结成手动对最大切向应力幅标准为基础的开放式裂纹。这个参数的研究表明，裂缝应成为休眠状态，或切换到一个开放的剪切模式，扭结传播后一定距离。这与实验结果一致。在塞克申，摩擦接触，非线性问题，制定打击。它是通过应用解决边界元（BE）的方法。在第二节，在裂纹萌生前接触区应力场分析了各种微动疲劳参数，包括装载率和摩擦系数。在塞克申，微动疲劳裂纹萌生和早期生长两个阶段进行了分析2问题公式化在燕尾联合设计中一个主要的担心和忧虑，例如，用于连接燃气涡轮发动机的刀片和磁盘（图1a），就是所说的微动疲劳。当循环加载应用，动力在连接部位接触带之间的（刀片和磁盘）的作用在正常和切向分量有差异。这两个组件的耦合由几何联合确定的方式。然而，这往往是在实验上用微动测试设置来研究，也是在理论上，当正交力分量（或正常位移分量）保持不变，而切向分力是多种多样的（大多数情况中）。实用几何学中的燕尾结合也已考虑到一些微动疲劳研究。在本研究中，我们考虑到正常和切向荷载的组件是耦合配置，如图2所示。它更贴切地描述了联合的现实状况，如图1b和1a中的一部分所示。此外，此设置可能很容易像以前的设置一样在实验室里实现。图1，（a）涡轮发动机中一个典型的燕尾榫连接一个刀片和一个圆盘； （b）在（a）中选定的局部区域如图2所示的设置由两部分组成：一个标本，和一个应用微动负荷通过垫试样组件。在我们的模拟，标本和装载组件采取的是同样的材料，它是各向同性和线性弹性的。这个标本是受制于沿其底部和右侧的边界平稳滑导刚性壁。装载组件是遭受了其左边的边界正常的牵引，然后它沿着上边界平稳的滑动到刚性壁。装载组件最初通过一个圆柱形垫和用平顶面标本连接，在没有预应力的情况下。由于装载组件是楔形形状，所以衬垫和试样上表面接触有限区域，当R应用时。否则它的结构将远离牵引力。边界条件和其他细节都显示在图2示意。加载方向，可能需要进行调整负荷之间的组件和标本的密封性，其中分别紧密代表刀片的零件和燕尾磁盘中的一个关节。当机构（图2）承受疲劳载荷，即循环R，一个裂纹可能集中在标本的接触表面。裂纹可能会裂开，闭合，或者局部处于这两者之间的循环载荷。它的密封性取决于强加在垫和标本之间的封闭裂纹的相对平面。接触面之间切向作用力是以库仑型摩擦定律为模型的， , （1）其中，和p分别为摩擦力切向与法向的分力，f是摩擦系数，接触表面间单位时间内相对位移的变化，是它的大小。牵引力的分力，和p是根据标本来定义的。图2，模拟了精密配合下的微动疲劳的一种装置。这个镶嵌件展示了一个圆柱垫的载荷分量和一个裂纹可能被引发并在接触的后缘增长。它的大小由一个特定的长度尺寸L决定。 因为材料是具有线性弹性的材料（各向同性），这个相对于边界点的位移可以表示成加权位移的积分和沿着边界线与裂纹的摩擦力。它是为了交换标本上的载荷分量，他们分别为; （2） （3）其中分别为载荷分量和标本的界限，是裂纹的一面，u为位移，p是摩擦力，w是裂纹裂开的宽度，和是位移和摩擦力的各向同性弹性的基本解式。为了解决构想在单域内的裂纹问题，下面的对摩擦力的分析需要应用积分方程。 （4）其中是和的组合导数，公式（1）中也有，以上的公式（2）(4)可以建立一个有效而准确的伯努利方程在数学上解决上面提到的非线性边界值问题。这指的是1适用于数值模拟技术的一般细节,2-4适用于详细处理摩擦接触和裂纹的非线性问题。因此，依靠迭代方案解决目前的非线性问题是必要的。3接触应力分析在下面的模拟中，我们设置了加载方向b = 30_，圆柱半径垫 = 10升，其他如图所示的几何参数。 2，其中L是一个长度尺度来规范的所有的长度尺寸。在B或在R变化的对幅度有重大影响，但对接触区的应力场特征影响不大。杨氏模量E是用来规范所有压力维度的。Poison的比率米被设定为0.3。我们我们采用了一种自适应网格与浓度元素及周边地区的接触区相符合。以下解决方案受到了所有与网格细化收敛检查。最后网就是这样，当网密度增加一倍，位移相对变化小于0.1。第一次模拟运行系统被加载单调到R = 0.005E，然后卸载完全。在接触区摩擦系数F = 0.3。应力沿试样接触面被记录下高峰负荷和三个中间装卸水平。结果被绘制在三维图3a中。在图3a中，该系统是受制于高峰负荷。受切引力组件sxy变化表明，接触区是完整的下滑状态，也就是在总滑移条件下。正切力组件Rx是具拉伸的和集中在接触后缘，但压（不集中）在接触前沿。图3B - D显示卸载后的应力状态。在卸货过程中，压力，即正常牵引组件Ry的跌幅。反相滑移发生在在棍子区域内双方的接触边缘。棒子区逐渐减弱至消退。正切应力组件RX在接触后缘（在高峰负荷时拉伸）迅速变成压缩。然而，在接触前沿（在高峰负荷压缩）切向应力分量变成紧张，呈现出轻微的浓度，并最终消退。这些数字显示在裂纹萌生前载荷循环期间接触应力变化的特点的一个模拟燕尾结合的，以及准确的数值解周期装置中。为了解摩擦的作用，另一个模拟与上述参数相同除了接触带中的摩擦系数更改为0.7。该系统单调的装载货物至高峰负荷，然后卸载到一半，即载荷比R = 0.5。应力沿接触面至最大负荷，最终卸载点绘制在图4a和b中。相较于以前的情况下，较小的接触区有较低接触压力Ry，较高的剪切牵引组件sxy，以及较高的切线（拉伸）应力RX集中在接触后缘地带经实验得出在接触带中有较高价值的摩擦系数f。然而，它似乎有些变化在沿接触表面应力分布的定性特征。图3,在摩擦系数的情况下,分别当（a）（最大负载）；（b）（空载）（c）；（d）时，沿着接触表面的应力分量的变化情况。图4，当摩擦系数的情况下，分别当（a）（最大负载）和（b）（空载）时，沿着接触表面的应力分量的变化情况。为了准备两个阶段裂纹扩展下一步分析，应力振幅用装载比R = 0.5来审查和摩擦系数f = 0.3和0.7。最大常应力幅值，最大剪应力幅，及最大剪应力沿接触面角度的变化幅度都分别绘制在图5，6a和b。其最大正常应力幅角等于最大剪应力幅加45度角。首先，可以看出接触后缘的经历着比接触前沿更严重的疲劳载荷。因此，裂缝分析下一步将侧重于前者。它也看到，有两个最大正应力振幅峰。在接触边缘高峰负荷存在一个更高的峰值，并在卸载（高峰负荷的一半）后的反滑带钟存在一个较低的。在反滑带只有一个最大剪应力振幅峰值。最重要的是，它表明，常最大应力和最大剪应力幅值都表现出更高规模，接触区内更高梯度及更高价值的摩擦系数。因此，合成应力场在腐蚀疲劳期间会越来越对微动裂纹萌生有害当摩擦系数的规模增强（由于表面粗糙）。此外，最大剪应力幅角变化约5至45从反粘滑边界位置到高峰负荷接触的边缘。图5，当摩擦系数和时，沿着接触表面的最大的标准应力幅值的变化情况。图6，（ a）摩擦系数和时，沿着接触表面的最大的标准应力幅值的变化情况； （b）当摩擦系数和时，沿着接触表面的同位角的变化情况。4裂纹分析 在一节中，我们考察了两个阶段微动疲劳裂纹扩展在燕尾关节样的配置的过程，如图2所示。摩擦系数在接触区等于0.7和负载率等于0.5那是在上一节开裂已经研究过。分析裂纹，表面裂痕引入到标本最高剪应力幅位置，并在2545左右的接触面。这个角度范围是因为飞机，可观的剪应力幅已被实验出，如图6所示。值得重视的剪应力幅也已发现5至25角度。然而，在这个角度范围内，初始裂纹始终为已检验的裂纹长度范围内封闭。因此，它没有考虑到下面的议论。初始裂纹的位置是固定在最高剪应力幅位置，因为通过对初始裂纹的位置大量的模拟得出裂纹行为被认为是敏感的位置。为了简单起见，裂纹表面被认为是光滑的。裂纹表面摩擦被认为是只能在数量上改变。裂纹尖端应力强度因子在最大和最小负载的情况下可以被计算出各种裂缝长度。在最低负载瞬间，裂纹全部关闭。在高峰负荷瞬间，裂纹是关闭所有的长度如果25的角度。当角大于25度，在小的裂缝长度开放，但在较长的长度封闭。该平均价格的变动和循环模式II的应力强度因子沿裂纹路径幅度被绘制在图 7中。同时，模型 I应力强度因子与裂纹长度在高峰负荷变化图被绘制于图8中。 图7的平均模式II显示应力强度因子随裂纹长度增加。内裂纹角由25至45是不敏感的范围。另一方面，模式II的SIF的幅度明显变化当角达40。当裂纹角度大于40（小于45）的差异变得微不足道。在所有这些情况下，模式II SIF的幅度先增加后裂纹的长度减小。这意味着达到一定长度后将破解，如果该进程是只有这个参数控制。或者，它会切换到开放模式，或任何混合模式，它们可以提供持续增长的支持。在图7和8中曲线的尖锐扭结符合裂缝在高峰负荷增长最初打开能足够增长和转变成在一个负荷周期完全封闭裂缝。图8中清楚明白的告诉我们常态裂纹应力强度因子变为零。模式I的历史证明模式I的幅度足以与模式IISIF相比较。在模式转型过程中它有可能在初始剪切裂纹扩展提供援助。图7在模式II SIF下，（a）裂纹长度在不同的裂纹角的平均值的变化情况； （b）裂纹长度在不同的裂纹角的振幅的变化情况。 图8，裂纹长度在最大负载的情况下，不同裂纹角在模式I SIF的变化情况。图9（a）在不同的一阶裂纹长度下的二阶弯折裂纹的路径；（b）模式I SIF路径上的振幅。 另一个模拟实验设置在当初始剪裂缝根据最大切向应力准则被迫转入到不同深度开放式裂纹。然后，裂纹被允许在开放模式增长成同样的标准。请注意，在振幅方面是按照SIF标准来应用的，即沿裂缝传播沿着模式I SIF最大幅值和零度模拟II SIF的幅度的方向。然而，模式- IISIF本身可能是非0度的。例如，图9A显示了两阶段裂缝轨迹的各种扭曲深度。第一阶段裂缝倾向于在35度时。与此同时，图9B显示是模式二沿着裂缝的应力强度因子幅度轨迹。可以看出，裂缝，在任何情况下，在接触面的方向从73扭结。这是拉应力幅度最大批量的方向。此外，模式- I SIF的振幅模式对扭结深度是不敏感的，它似乎是所有这些不同的扭结深度的主曲线。沿着这条主曲线，模式一SIF幅值先增加后裂纹长度减小，裂纹的长度。这显示了在一个区域内其早期裂纹增长的过渡是接触应力占主导地位所在地区对他的影响削弱了。最后，它清楚地表明，弯折过程只在第一个阶段剪裂缝已发展到一定的深度。以上力学中两个阶段的微动疲劳裂纹扩展的讨论应分析定性不变的加载方向b或垫半径与力学，因此按照在参数方面做一些详细的参数研究是不必要的。当然，他们是在实际设计中是很重要的。总之，第一阶段的剪切裂缝启动后，经历了在一个递减驱动力下的增长。在的模式-II的裂纹增长的驱动力变得无效之前，如果在过渡过程中提供足够的驱动力，裂纹将切换到一个开放模式。我们现在研究所显示出来的的早期的微动疲劳的裂纹增长的二阶力学过程与以前所广泛引用的以前实验观察的结果是相一致的。它可能将范围拓展到涡轮发动机上的燕尾榫上早期的微动疲劳裂纹增长，同时考虑到在配合实际几何和载荷条件下的模型/预测。 5结语我们用数值计算，分析了微动疲劳下的二阶断裂的过程。首先,对一个鸠尾榫连接类的装置接触应力场进行了微动疲劳各种参数的分析，包括疲劳载荷率和接触区的摩擦系数。例如,在载荷比是0.5的情况下，最大切应力振幅被证明是可以发生在滑粘边界附近的瞬间和在最小载荷和尾缘的接触区负荷高峰的瞬间。相应的角度如下，相应的飞机到达最大切应力振幅的情况下,范围从5度到45度的接触表面。两个最大的标准和最大切应力振幅都集中在开头和结尾的联系更严重的边缘在后者的位置。 然后,一个裂缝被介绍给标本最高切应力所在地之振幅。计算了裂纹尖端应力场突变型多模光纤为各种各样的裂纹取向角、不同的长度。结果表明:突变型多模光纤振幅二期先增大后减小,随着裂纹长度,同时意味着值增加。这表明,第一期的裂缝被逮捕,或者保持较快增长通过切换到开放的模式。因此,一个初始剪切裂缝是故意气气在不同深度手动。沿裂纹路径后,一期弯折期货振幅被证明是可以提高最初但减少以后的学习。这意味着,第一期角剪切裂缝迟早会成为休眠/被捕状态,或转换最初模式中保证其疲劳增长能持续下去。所有这些数值计算与以往的实验定性观察结果非常吻合。参考文献1 Brebbia CA, Telles JCF, Wrobel LC. 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