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对于大多数工程材料的断裂过程,会在材料中原生和萌生裂纹的裂纹前缘出现一定的塑性屈服区,采用弹塑性断裂分析方法才能更为合理准确地揭示材料的断裂机制和描述裂纹的扩展过程。本文以铸铁为例,采用试验和模拟相结合的方法研究了含裂纹试件的小范围塑性屈服和裂纹扩展行为。基于ABAQUS分析平台,采用Matlab和Fortran编制了弹塑性扩展有限元(XFEM)的UEL分析程序,对含裂缝灰口铸铁的拉伸断裂过程进行了模拟。基于对试验数据的分析和对断裂参数的敏感性模拟分析,研究了含单边和双边共线裂缝铸铁板条试件的拉伸断裂行为。主要研究内容和结论如下:1.进行了无裂纹和含不同长度的单边和双边裂纹的铸铁板条试件单调拉伸试验,试验发现铸铁试件在单向拉伸作用下的载荷位移曲线呈现出显著的非线性,这是因为试件内部产生了一定程度的塑性变形。通过对断口进行扫描电镜和能谱分析,确定了铸铁的断裂机制是解理断裂为主韧性断裂为辅。随着试件中裂纹长度的增大,断裂应变和极限强度逐渐减小,其中无裂纹试件的断裂应变为1.4%,分别基于载荷位移曲线初始刚度、抗拉强度、起裂应变定义了三种损伤变量,对比分析表明以抗拉强度定义的损伤变量对裂纹长度的敏感性较好,建议作为含裂纹铸铁试件的损伤特性评价指标。2、基于ABAQUS有限元分析平台,在线弹性扩展有限元用户自定义单元子程序(UEL)基础上把弹性材料本构关系改写为弹塑性本构关系,结合UEL输入的位移变量和试验得到的等效应力一等效塑性应变曲线,采用牛顿-拉斐逊迭代方法计算得到每个加载时刻下的应力和塑性应变分量,采用MATLAB和FORTRAN语言自行编写了弹塑性扩展有限元的UEL子程序。通过与试验数据的比较,表明程序能够准确计算每个高斯积分点上的应力应变曲线,验证了本文程序的合理性和准确性。3.通过读取ABAQUS任务的计算结果文件,区分扩展有限元的富集节点和有限元的非富集节点,获得当前增量步积分区域内节点的位移、应力和应变,采用等效积分区域法计算每一个增量步的J积分值。若J积分计算值超过临界值JC,则利用ABAQUS中URDFIL子程序的LSTOP功能终止计算任务,计算裂纹扩展角,启动下一个裂纹扩展后的计算任务,实现裂纹的扩展模拟。4.分别以应力强度因子K1和J积分值对弹性扩展有限元和弹塑性扩展有限元的计算精度进行了系统研究。将扩展有限元计算结果与理论值和有限元模拟结果的对比分析表明,在相同网格尺寸、富集单元区域范围和积分点数量下,扩展有限元的计算精度明显高于有限元的模拟结果,尤其是在网格较大时扩展有限元精度降低很小。采用单因素分析法,给出了含裂纹板条试件计算模型主要参数的建议值:网格大小为0.25-0.5mm,富集单元区域半径取0.5-0.75mm,裂尖单元三角形子积分区域积分点个数为4-7个。5.由于试验获取铸铁断裂韧度JC的困难较大,本文采用单轴拉伸试验的断裂应力和裂纹长度曲线来拟合断裂韧度,从而大致确定铸铁试件的断裂韧度Jc。再将临界值Jc作为起裂准则,模拟了含不同裂纹长度试件的断裂。通过起裂临界值Jc画出分界线,可以通过分界线来预测含不同裂纹长度铸铁试件的起裂载荷和起裂位移。