1、含接触的多孔多裂纹结构应力强度因子分析2007 钜第 26 卷7 月第 7 期机械科学与技术MechanicalScienceandTechnologyforAerospaceEngineeringJlllv2007Vol_26No.7张伟含接触的多孔多裂纹结构应力强度因子分析张伟,吕胜利,姚磊江(西北工业大学无人机特种技术国防科技重点实验室,西安 710072)摘要:多孔多裂纹结构的损伤是老龄飞机和许多工程结构中存在的一种典型损伤形式,它严重影响着结构的完整性和使用安全.因此,研究多孔多裂纹结构的损伤容限问题,特别是结构的断裂特性,具有重要的工程意义和很高的实用价值.本文主要考虑销钉与结构间
2、的接触问题,应用有限元方法,建立合理的计算模型,计算了多孔多裂纹结构的应力强度因子.通过大量计算,给出了典型多孔多裂纹结构应力强度因子的计算结果曲线,分析其相互影响规律及破坏特性.计算结果和结论可作为该类结构损伤容限设计的参考依据.关键词:有限元素法;多孔多裂纹;应力强度因子;损伤容限中图分类号:TH12 文献标识码:A 文章编号:10038728(2007)07-0950-03AnalysisofStressIntensityFactorsofStructureswithMultiplePin.holesandCracksZhangWei,LtiShengli,YaoLeijiang(Nat
3、ionalLaboratoryofUAVSpecialTechnology,NorthwestPolytechnicalUniversity,Xian710072)Abstract:Thedamagetostructureswithmultiplepinholesandcracksisatypicalformofdamagethatexistsinairplanesofoldageandmanyotherengineeringstructures.Itbadlyinfluencestheirintegrityandsafetyofuse.Therefore,analyzingthedamage
4、toleranceandespeciallythefracturecharacteristicsofstructureswithmultiplepinholesandcracksisofgreatengineeringsignificance.Primarilyconcernedwiththecontactbetweenpinsandotherstructures,thepaperusedthefiniteelementmethodtoproducereasonablecalculationmodelsandcalculatethestressintensityfactors(SIF)ofth
5、estructureswithmulti-plepinholesandcracks.Throughnumerouscalculations,theSIFcurvesforcracktipswereobtained,andtheirdamagecharacteristicswereanalyzed.Keywords:finiteelementmethod;multiplepinholesandclacks;sessintensityfactor;damagetolerance工程结构中含有很多多孔连接结构,多孔多裂纹的结构安全问题近年来已越来越受到工程界的广泛关注.由于裂纹之间的相互作用,增加了
6、对多裂纹结构研究的难度和复杂性,导致目前理论研究和计算方法的进展都比较缓慢,至今很多情况下是依赖于实验结果,而由于实验费用高,复杂,加上实验的分散性以及连接结构的多样性,实验结果有时也无法具备足够可直接利用的数据.在数值计算方面,Chen,Cai 等用交替迭代方法解决多裂纹问题;袁杰红等人一采用线弹簧模型通过积分变换方法求解多个共面任意分布表面裂纹的应力收稿日期:20051215作者简介:张伟(1981 一), 男 (汉), 陕西,助工,wyOO7126.con强度因子.对于多孔多裂纹结构的裂尖应力强度因子目前只有对称,空孔,等长裂纹的解 J.因此,对含接触问题的多个裂纹的多孔连接结构的应力强
7、度因子的进一步分析具有重要的现实意义.本文主要针对多孔非对称多裂纹结构的应力强度因子进行分析,提出有效的分析方法,力的传递利用点.点接触,使其更科学,更精确.通过大量的计算分析,总结多裂纹应力强度因子问的影响趋势与规律,从中得出有工程重要利用价值的结论.本文计算方法及计算软件的可靠性验证,可参考文献6.第 7 期张伟等:含接触的多孔多裂纹结构应力强度因子分析 9511 计算方法本文考虑的结构为销钉,平板连接结构,板件部分采用八节点曲边等参元素,裂尖周围采用 8 个退化的八节点奇异元,近裂尖处网格尺度小于 0.1倍的裂纹长度,网格尺度随远离裂纹尖端逐步递增.销钉部分内部采用三节点三角形元素,外部
8、采用五节点过渡等参元以便与板件八节点元素协调.另通过引入多个弹簧元来处理销钉与板件接触点间的位移协调问题,所有弹簧元取的初始刚度相同.假设销钉与耳片之问是光滑净配合,不计切向摩擦力,借助于压缩时赋予弹簧元高的刚度和拉伸时赋予弹簧元低的刚度,通过迭代,使接触点对之间满足法向接触协调条件.应用线弹性有限元方法计算出裂纹面上离裂尖最近的 3 个点的法向位移,根据应力强度因子与法向位移之间的关系“ 计算应力强度因子.平面应力状态下裂纹面上裂尖附近的法向位移为(1+a+.一)(1)则=()当卜 0 时,一,故只可用裂纹面上的近r裂尖的若干点的,由上式得对应的.再根据线形回归引,可得当卜 0 时的,.6:
9、二鱼三 f3)r 一 一口=KI 一 6(4)=口+6r(5)式中:为有张口位移的节点到裂尖的极径;为对应于 ri 的应力强度因子;扁=ilkli;= ;r 为用线形回归所要求点的极径;为用线形回归所要求点的,.2 计算模型模型 1 如图 l 所示,含四裂纹的双孔连接模型,孔问距 B=110mm,板宽=300mm,板高度H=200mm,孔径 R:5mm,板厚度为 10mm.口,a:,a,a 依次分别为右孔右裂纹,右孔左裂纹,左孔右裂纹和左孔左裂纹,结构底部固支,双孔钉载P 的大小均为 10000N.模型 2 如图 2 所示,含两条裂纹的双孔串联连接模型,孔间距 B=110mm,板宽度=300m
10、m,板高度 H=200mm,孔径 R=5mm,板厚度为 10mm.a,a.分别为右孔的右裂纹和左孔左裂纹.结构底部固支,载荷 P 的大小取为 10000N,和模型一的区别是两孔之间的裂纹已经相遇变为裂缝.图 1 双孔四裂纹结构模型图 2 双孔连通结构模型3 计算结果与分析3.1 模型 1 计算情况情况一保持 a.,a,a 这 3 条裂纹长度为 5不变,裂纹 a 逐步增长 ,从起始的 5mm 增至30mmo该情况下双孔 4 条裂纹尖端的应力强度因子曲线如图 3 所示.aKmm)图 3 双孔四裂纹串联结构变化的应力强度因子曲线图图 3 可以得出,双孔四裂纹结构中较长裂纹的应力强度因子小于较短裂纹的
11、应力强度因子.右孔右裂纹 a 的增长明显使得自己的应力强度因子变小,而使本孔另一裂纹 a 的应力强度因子增大,而对其它的 a,a 裂纹则影响不大 .结构中的右裂纹,可以看作为共有 3 种载荷对应力强度因子的大小起作用,第一种为固定端载荷,相当于远处均匀加载,第二种为右孔本身作用952 机械科学与技术第 26 卷的钉载,第三种为左孔的钉载.我们知道,一般情况下,远处加载时应力强度因子始终随裂纹长度增加而增大,而裂纹面附近集中载荷加载时,应力强度因子是随着裂尖距载荷点的距离增加而减小,裂尖应力强度因子的变化趋势与裂尖到 3 种载荷的距离紧密相关,是 3 种载荷作用的综合效果.图 3 中结果趋势的起
12、因为 3 种载荷中本孔钉载距离对 n.所起的作用是起主导作用的,因此,当主裂纹长度增大时,主裂纹 n 的应力强度因子相对要减小;而对于次裂纹,这 3 种载荷均无明显变化,只有裂纹 n 的增加对裂纹 n:,n,n 的影响,但是 n“n 在左孔边上 ,n.对他的影响很小 ,因而应力强度因字几乎没有变化,裂纹 n 由于 n 的增长,必然使得应力强度因子增加.因此出现了图 3 中的变化趋势:随着 n 的增加,k 变小,k:变大,k,k 基本无变化.情况二保持口,口两条裂纹长度为 5.0 不变,裂纹 n,n 逐步增长,从起始的 5.0mm 增至30.0mm.图 4 可以得出,主应力强度因子是随着裂纹的增
13、长应力强度因子先减小后增大,这一变化趋势与单孔孔边裂纹的变化趋势相一致,主要是因为在裂纹较小时,孔中心的集中载荷对裂纹应力强度因子起主导作用,而裂纹面上的集中载荷作用下的应力强度因子是随着裂纹的增大而减小的,因此应力强度因子最先是减小的;当裂纹增加到一定长度后,集中载荷对裂纹尖端应力强度因子的影响降低,而远处的约束载荷(固定端) 起主要作用,这一载荷作用下应力强度因子是随着裂纹的增大而增大的.因此,该情况下孔边裂纹尖端的应力强度因子是随着裂纹的增大而先减小后增大.而 k 比 k.要大是因为 n:还受到 n,和另一个孔的钉载影响.k,和 k逐渐变大是因为越来越近裂纹 n.趟疆图 4 双孔四条裂纹
14、串联结构 n,0,2 同时变化的应力强度因子曲线图3.2 模型 2 计算情况情况一 n,n 同时变长,由原来的 5Ila_nl 变到了最终的 35mm.该情况下裂纹尖端的应力强度因子曲线如图 5 所示.趟暖al=a2(mm)图 5n.,n 同时变化的应力强度因子曲线图图 5 可以得出,应力强度因子是随着裂纹的增长应力强度因子先减小后增大,这一变化趋势与单孔孔边裂纹的变化趋势相一致,主要是因为在裂纹较小时,孔中心的集中载荷对裂纹应力强度因子起主导作用,而裂纹面上的集中载荷作用下的应力强度因子是随着裂纹的增大而减小的,因此应力强度因子最先是减小的;当裂纹增加到一定长度后,集中载荷对裂纹尖端应力强度
15、因子的影响降低,而远长的约束载荷(固定端) 起主要作用,这一载荷作用下应力强度因子是随着裂纹的增大而增大的.因此,该情况下孔边裂纹尖端的应力强度因子是随着裂纹的增大而先减小后增大.情况二 n 长度保持不变,n 变长,由原来的5mm 变到最终的 35mm.该情况下裂纹尖端的应力强度因子曲线如图 6 所示.趟疆图 60,2 变长时的应力强度因子曲线图图 6 可以得出,主应力强度因子是随着裂纹的增长应力强度因子减小的,这一变化趋势与单孔孔边裂纹的变化趋势相一致,主要是因为在裂纹较小时,孔中心的集中载荷对裂纹应力强度因子起主导作用,而裂纹面上的集中载荷作用下的应力强度因子是随着裂纹的增大而减小的,因此
16、应力强度因子是减小的.而另一条裂纹由于承受了更多的应力所以应力强度因子不断变大.(下转第 956 页)956 机械科学与技术第 26 卷通过对不同稀土含量的电沉积 TiC 涂层进行的摩擦磨损实验表明,涂层中加入适量的稀土可以提高涂层的耐磨性,但是过多加入稀土反而会降低涂层的耐磨性能.结合前人研究成果,作者认为产生这种现象主要有以下几种原因曲:(1)稀土元素能够改善结晶过程,与基体中其它元素形成含稀土的金属间化合物后,可以作为形核核心起到细化晶粒的作用,使涂层与基体形成良好的冶金结合,并降低涂层的摩擦因数.(2)稀土元素与氧,硫等杂质元素有较强的结合力,能抑制这些杂质元素引起的组织疏松,净化陶瓷
17、相中晶粒界面,陶瓷相/金属相界面和金属相,改善金属相对陶瓷相的润湿性,让涂层表面孑 L 洞变小且呈弥散状分布,使气孑 L 率下降,致密度上升.(3)稀土元素在与硫,磷,硅等有害元素形成低熔点的共晶化合物后,会从熔体中上浮,成为涂层表面的熔渣而被去除,并在上浮过程中带走熔体中的气体,起到除气,除渣,净化组织及消除气孔和裂纹的作用.但稀土元素过少则除气除渣不完全,组织不够致密;过多则会以夹杂的形式存在于硬质相/粘结相界面处,使熔液流动性减缓,气泡与熔渣不易排除,部分 Tic 颗粒被烧损及不均匀分布,且产生过多脆性较大的稀土间化合物,削弱界面结合强度:两种情况都会降低涂层的耐磨性能.3 结论(1)选
18、定在本实验中的电火花沉积参数及电极粉末配方,获得的所有涂层均较连续,与基体的结合强度很高,有实用价值.(2)稀土氧化物 0.对电沉积 TiC 金属陶瓷涂层的改性作用是明显的,La0.的加入量为 0.5%的涂层耐磨性能最好,其磨损质量损失减少了71.4%.当 La:0.加入量过多时,涂层的耐磨性能逐渐降低,最后甚至低于不加 La:0.时的耐磨性能.(3)电沉积涂层中添加适量稀土后,涂层表面致密度提高,孑乙洞,缺陷和裂纹明显消失,表面变得平整.参考文献1方宇,赵万生 ,王振龙,吴佩年.基于电火花加工方法的表面改性技术研究J.中国机械工程,2004,(6):10952吴佩年,王振龙 ,赵万生.基于电
19、火花加工方法的表面陶瓷化处理研究J.哈尔滨工业大学,2004,(6):1673花永康.刘梁 .大有发展前景的稀土产业J.江苏化工,2000,28(8)4李安敏,许伯藩 ,潘应君.I 丑 2O3 对激光熔覆 TiC./Ni 基复合涂层的组织和性能的影响J.钢铁研究.2003,15(1):575沈以赴,陈继志 ,冯钟潮.稀土在激光熔覆层中的分布和行为J.中国稀土,l997,15(4):3446戴振东,文明才 .李祥明.姜澄宇,薛同博.朱自冰,刘贵龄.稀土对等离子喷涂镍磺化钛陶瓷涂层摩擦学性能的影响j.摩擦学,2000,20(3):175(上接第 952 页)4 结论(1)本文计算结果趋势合理,可以
20、为多孔多裂纹连接结构断裂特性分析提供定量分析依据.(2)多孑 L 多裂纹结构应力强度因子的变化与 3种载荷与裂尖的距离有关,是 3 种载荷的综合作用结果,工程应用中使用现有结果时应该充分注意这个问题.(3)在本文给定的结构参数下,在双孔四裂纹结构中,当一个孔边裂纹较长时.虽然长裂纹的应力强度因子最小,但同孑 L 的另一条较短裂纹的应力强度因子最大,故此时最先发生破坏的应该就是该孔.参考文献】1ChenYz,ChangSC.Analysisoftwodimensionalfractureprob-lemwithmultiplecracksundermixedboundaryconditionsJ.EngineeringFractureMechanics.1989,34(4):9219342caiH,FaberKT.Ontheuseofapproximationmethodformicro-crackshieldingproblemsJ.ASMEJournalofAppliedMe-
