双轴载荷下表面裂纹及孔边裂纹的弹塑性分析

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对于金属结构而言,焊接、铆接及栓接等连接技术都被广泛采用,然而,这些连接形式受到其技术发展水平和特殊施工工艺的制约,极其容易在连接处出现裂纹缺陷,这些缺陷对结构的安全服役造成了较大影响,因此一直是研究者们进行分析和研究的重点。   对于焊接接头来说,缺陷的存在尤为值得关注。由于力学不均匀性及几何不均匀性的普遍存在,含缺陷的焊接接头的断裂性能就表现的十分复杂,与此同时,焊接接头的受载形式也日趋多样,分析不同载荷形式对焊接接头的影响也十分必要。在断裂分析中,通常将表面裂纹简化为半椭圆表面裂纹,本文即对双轴载荷下含半椭圆表面裂纹的焊接接头做了较为详细的弹塑性分析。通过建立3D有限元模型,结合J-A2双参数弹塑性断裂理论,定性及定量分析了双轴载荷比、焊接失配比及几何尺寸对裂纹前缘的断裂驱动力J积分、约束参数A2的影响;同时给出了裂纹危险点处J积分的工程化计算公式中的重要系数h,并建立了基于J积分准则的失效评定曲线(FAD)。结果表明:载荷比对裂纹场的影响十分显著,且双向拉伸状态下,裂纹的危险点会转移至裂纹前缘表面附近点处,尤其表现在深裂纹上,同时,载荷比对FAD安全区大小也具有一定的影响,但这种影响相对较小。另一方面,失配比及焊缝宽度对裂纹场也有影响,其中失配比的影响较为显著。   对于含孔板来说,由于应力集中现象的影响,孔边易形成危险的裂纹缺陷,同时,双轴载荷作为一种常见的载荷形式对孔边裂纹也会产生一定影响。本文建立了单一孔边裂纹的弹塑性有限元模型,在平面应变状态下,主要分析双轴载荷比对J积分、约束参数A2的影响,同时也讨论了弹塑性J积分的工程化计算公式,建立了孔边裂纹的失效评定曲线(FAD),并与通过3D模型得出的FAD进行了对比。结果表明:载荷比对孔边裂纹的J积分及A2的影响较为明显;载荷比对失效评定曲线安全区的大小也有一定影响。   本文给出的数据分析及计算结果对于含缺陷焊接接头及含孔板的安全评估具有一定的参考价值。
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