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实际工作中的锅炉、管道和压力容器等设备,往往承受多轴循环载荷作用,疲劳断裂是最常见的失效形式。因此,对于多轴疲劳失效机理、疲劳启裂以及复合型疲劳裂纹扩展行为的研究,具有非常重要的理论价值和工程意义。
以16MnR钢非标准紧凑拉伸-剪切试样作为研究对象,对分步加载情况下的Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展行为进行了有限元模拟。为了获得准确的弹塑性应力应变响应,采用了能够较好地表征材料的循环塑性变形特性的Jiang-Sehitoglu循环塑性本构模型,通过用户材料子程序UMAT把该模型嵌入到Abaqus中;为了模拟疲劳裂纹的闭合效应,有限元建模时把上、下裂纹表面分别设置为主、从接触面;为了模拟疲劳裂纹扩展过程中形成的残余应力对后继裂纹扩展行为的影响,采用了动态裂纹扩展方式的有限元建模思路;为了考虑多轴应力应变状态对疲劳损伤的贡献,采用了基于临界材料面的增量形式的多轴疲劳损伤准则。
基于有限元分析得到的弹塑性应力应变结果,提取了稳定的应力应变迟滞回线,然后将其应用于疲劳启裂和裂纹扩展统一模型,预测出了Ⅰ-Ⅱ复合型加载条件下疲劳裂纹在缺口根部的启裂位置和启裂方向,以及复合型疲劳裂纹的扩展速率和扩展路径。对比发现,数值模拟结果与实验数据吻合较好。