【摘 要】
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工业领域伴随着科学技术的更新和进步快速发展,大量机械结构广泛应用于人们的生产生活中。受制造工艺、材料性质等因素的影响,机械结构往往存在材料缺陷,在往复循环载荷下缺陷会演变成疲劳裂纹并最终导致结构的失效断裂,因此对疲劳裂纹的研究具有重要的现实意义。扩展有限元法（XFEM）在模拟裂纹扩展时无需重新划分网格,在处理不连续复杂工况的问题时更加简洁高效。本文采用扩展有限元对静态与动态情况下的复合型疲劳裂纹扩
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工业领域伴随着科学技术的更新和进步快速发展,大量机械结构广泛应用于人们的生产生活中。受制造工艺、材料性质等因素的影响,机械结构往往存在材料缺陷,在往复循环载荷下缺陷会演变成疲劳裂纹并最终导致结构的失效断裂,因此对疲劳裂纹的研究具有重要的现实意义。扩展有限元法（XFEM）在模拟裂纹扩展时无需重新划分网格,在处理不连续复杂工况的问题时更加简洁高效。本文采用扩展有限元对静态与动态情况下的复合型疲劳裂纹扩展进行模拟,并将此方法延伸到含缺陷压力管道的分析中,具体研究内容如下:（1）概述断裂力学的基础,介绍扩展有限元的理论。对三维中心穿透斜裂纹矩形试样进行静态分析,结果表明沿厚度方向上应力强度因子KI呈现“凸起”分布,KII呈现“凹陷”分布,裂纹呈I-II复合型扩展趋势且应力强度因子大小与预置裂纹的长度(60、裂纹角度α以及试样的宽度W均有关系。对裂纹尖端施加止裂孔能减少裂纹尖端应力集中,减小裂纹尖端的应力强度因子值。（2）建立基于能量释放率的疲劳寿命预测模型,通过与实验数据对比验证了模型的准确性。在此基础上分析拉伸载荷和弯矩载荷下止裂孔与预置裂纹角度θ、止裂孔中心与预置裂纹尖端距离d以及止裂孔半径r对单边穿透斜裂纹矩形试样疲劳寿命值的影响。结果表明拉伸载荷下斜裂纹呈I型扩展,压弯载荷下斜裂纹呈I-II复合型扩展,且θ、d、r分别变化的情况下,试样的疲劳寿命值均有最佳值,在d、r共同变化的情况下,r为影响试样疲劳寿命值的主要因素。（3）基于上述研究方法,模拟分析压力管道中预置半椭圆裂纹的短轴a与长轴c、管厚t的比值a/c、a/t的变化对应力强度因子分布以及裂纹形貌的影响。结果表明,静态分析中应力强度因子KI随裂纹边缘深度增加呈“波浪”形增大;动态分析中固定a/c的值不变,在a/t初始值较大时裂纹形貌逐渐趋于半圆,在a/t初始值较小时裂纹形貌基本维持椭圆不变。数值模拟的压力管道疲劳寿命值与理论值基本吻合。
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