基于数值分析的金属材料断裂力学柔度测试方法研究.pdf
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1、西南交通大学 硕士学位论文 基于数值分析的金属材料断裂力学柔度测试方法研究 姓名:金蕾 申请学位级别:硕士 专业:固体力学 指导教师:蔡力勋 20090501 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着航空、核电、高铁、石油工程的发展,与工程安全密切相关的新型 材料断裂疲劳性能研究受到广泛重视,柔度法作为各种断裂测试规范推荐的 先进测试技术具有操作设备简易化、计算机辅助程度高和测试精度高的优 点。目前绝大多数关于柔度法的研究工作都是基于规范推荐的标准试样展开 的,且未对柔度公式包含的具体参量进行系统分析和研究,给科研和工程中 材料的断裂测试带来极大不便,本文针对柔度方法开展了系统研究,
2、重点完 成了如下工作: 1 为分析C T 、S E B 和V 形裂纹试样的力学响应,基于A N S Y S 开发了 一系列A P D L 程序。 2 基于现行断裂规范的相关柔度公式,推导出关于C T 和S E B 试样 的C O D 换算公式,可通过测试试样的裂纹嘴张开位移实现利用卜 曲线测试积分,并利用有限元和试验方法对换算公式进行了分析验证,研 究结果表明新公式在小范围屈服条件下具有较高精度。应用换算式对 A 5 0 8 3 钢进行圪L 转换,实现了实时测试靠阻力曲线,确定了材料的断 裂韧性正c ,该公式弥补了断裂力学测试规范的缺失。 3 通过有限元方法研究非标准试样的柔度与裂纹长度的关系
3、,分别提出 适用于V 形裂纹试样和C T ( W ) 试样的柔度公式,通过测试裂纹张开位移实 现了预测特殊试样的裂纹长度,有限元结果和试验结果表明柔度公式具有良 好的预测精度。V 形裂纹试样的柔度公式弥* b TA S T MB 7 7 1 8 7 1 4 】和N A C E T M 0 1 7 7 9 6 9 】标准的柔度测试方法缺失,为计算机辅助测试v 形裂纹试样和 C T ( W ) 试样的断裂参数提供了依据,可提高裂纹与应力强度因子的预测精度 和工作效率。 4 对标准C T 和S E B 试样的几何尺寸和疲劳裂纹形状展开不确定度研 究,并针对各主要参量进行了有限元定量分析,给出了不确定
4、度评价。基于 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | 页 C T 和S E B 两种试样,提出了基于柔度方法预测等效弹性模量的双参数模型, 并对两种试样开展了厚度效应研究,提出了材料弹性模量估算的修正方法。 5 应用有限元方法研究了母、焊材复合结构C T 试样的等效弹性模量E , 分析了母、焊材弹性模量比、裂纹长度a 、试样厚度曰和母材宽度日对等 效模量丘的影响效应,进而评价了各参量对裂纹长度预测精度的影响。 本文提出的相关创新工作可为我国断裂测试标准中的柔度测试方法提 供修订依据。 关键词:柔度法;断裂力学;断裂韧性;C T 试样;S E B 试样;D C B 试样: 不确定度:等效弹性模量
5、;尺寸效应;焊接材料 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 II 页 A b s t r a c t W i t ht h ed e v e l o p m e n to fa v i a t i o n ,n u c l e a rp o w e r ,h i g h s p e e dr a i l w a ya n d p e t r o l e u me n g i n e e r i n g ,f a t i g u ef r a c t u r ep r o p e r t i e so fn e wm a t e r i a l sa t t r a c tw i d e a t
6、t e n t i o n C o m p l i a n c em e t h o da sa na d v a n c e dt e s tt e c h n o l o g yr e c o m m e n d e db y k i n d so ff r a c t u r et e s ts t a n d a r d sh a st h ea d v a n t a g eo fs i m p l e ro p e r a t i o n ,h i g h e r a u t o m a t i o na n db e t t e ra c c u r a c y I nt h e
7、p a s t , w o r k so nc o m p l i a n c em e t h o dw e r e c a r r i e do u tb a s e do ns t a n d a r ds p e c i m e n si ns t a n d a r d sa n dt h e yl a c k ss y s t e m a t i c a l a n dc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i st op a r a m e t e r si nt h ec o m p l i a n c ef o r m u l a s ,w
8、h i c h c a u s e sm u c hi n c o n v e n i e n c et Ot h em a t e r i a lf r a c t u r et e s ti ns c i e n t i f i cr e s e a r c ha n d e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s T h e t h e s i sc a r d e do u t s y s t e m a t i c a l r e s e a r c ho n c o m p l i a n c em e t h o d sa n dt
9、 h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s : 1 As e r i e so fA P D L p r o g r a m sb a s e do nt h eA N S Y S h a v eb e e nd e v e l o p e df o r t h em e c h a n i c a l r e s p o n s ea n a l y s i s o f C T ( C o m p a c tT e n s i l e ) s p e c i m e n s , S E B ( S i n g l ee d g e db e n d i
10、 n g ) s p e c i m e n sa n dc h e v r o ns p e c i m e n s 2 T r a n s f o r mf o r m u l a sb e t w e e nC O D ( c r a c ko p e n i n gd i s p l a c e m e n t ) 玩La t l o a dl i n ea n dC O Dz 0a tc r a c km o u t ho fC Ta n dS E Bs p e i c i m e n sw e r e p r e s e n t e d I th e l p st oa c h i
11、 e v eJi n t e g r a l t e s tu s i n g 卜吮Lc u r v ew i t h1 1 0 N u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt e s t sh a v eb e e nc a r d e do u tt oc h e c kt h ef o r m u l a sa n d t h er e s u l t si n d i c a t et h a ti th a sg o o da c c u r a c yi nas m a l ly i e l dr a n g e T h e a p p l i
12、 c a t i o nm e t h o do ft h et r a n s f o r mf o r m u l af o rJ l ct e s tb yC Ts p c i m e n so f A 5 0 8 一H Is t e e lw a sg i v e n 。 3 1 1 1 er e l a t i o n sb e t w e e nc o m p l i a n c ea n dc r a c kl e n g t hf o rn o n - s t a n d a r d s p e c i m e n ss u c ha sc h e v r o ns p e c
13、 i m e n sa n dC T ( W ) s p e c i m e n sw e r er e s e a r c h e d b a s e do nF E Am e t h o d S e v e r a lc o m p l i a n c ef o r m u l a sw e r eg i v e n N u m e r i c a l s i m u l a t i o na n dt e s tp e r f o r m e di nt h i st h e s i ss h o wt h a tt h ef o r m u l a sh a v eb e t t e
14、r a c c u r a c y C o m p l i a n c ef o r m u l ao fc h e v r o ns p e c i m e n sh a sc o v e r e dc o m p l i a n c e t e s t i n gm e t h o ds h o r t a g ei nA S l MB 7 7 1 8 7 2 】和N A C E1 M 0 1 7 7 9 6 【1 1 T h e s e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1V 页 f o r m u l a sg i v e ni nt h e s i sn o to n l yo f f
15、 e r e db a s i sf o rc o m p u t e ra i d e dt e s tb u ta l s o i m p r o v e dp r e d i c t i o na c c u r a c ya n de f f i c i e n c yf o rc r a c ka n ds t r e s si n t e n s i t yf a c t o r 4 S t u d yo fu n c e r t a i n t yf a c t o r so nd i m e n s i o na n dc r a c ks h a p eo fs t a n
16、d a r dC T a n dS E Bs p e c i m e n sr e c o m m e n d e di nc u r r e n ts t a n d a r d sw e r ec a r r e do u t M u c h q u a n t i t a t i v ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s o nu n c e r t a i n t yo fm a i np a r a m e t e r sw e r e p e r f o r m e d At w o - p a r a m e t e rm o d e
17、l u s e df o rc o m p l i a n c e p r e d i c t i o n o ft h e e q u i v a l e n te l a s t i cm o d u l u so fC Ta n dS E Bs p e c i m e n sw a sp r e s e n t e d ,a n dt h e s p e c i m e nt h i c k n e s se f f e c t so fs p e c i m e n sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e da n dt h ec o r r e c
18、t i o n m e t h o dW a sg i v e nt oe s t i m a t em a t e r i a l se l a s t i cm o d u l u s 5 B a s e do nf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ,t h es t u d i e so ne q u i v a l e n t e l a s t i c m o d u l u s 丘o faC Tc o m p o s i t es t r u c t u r es p e c i m e nw i t hr a Wm a t e r i
19、 a lp a r t sa n d w e l d i n gm a t e r i a lp a r tw e r ep e r f o r m e d I no r d e r t og e tc o r r e c tp r e d i c t i o no f c r a c k l e n g t h , i n v e s t i g a t i o no fi n f l u e n c i n gf a c t o r so fq u i v a l e n te l a s t i cm o d u l u s 丘s u c h a se l a s t i cm o d
20、u l u sr a t i o f l ,c r a c kl e n g t ha ,s p e c i m e nt h i c k n e s sBa n dr a wm a t e r i a l w i d t hHw a sg i v e ni nd e t a i l T h ei n n o v a t i o nw o r k si nt h et h e s i sc o u l dp r o v i d ee m e n d a t i o nb a s i sf o r c o m p l i a n c et e s tm e t h o di ns t a t e
21、f r a c t u r et e s t i n gs t a n d a r d s K e y w o r d s :C o m p l i a n c em e t h o d ;f r a c t u r em e c h a n i c s ;f r a c t u r et o u g h n e s s :C T s p e c i m e n ;S E Bs p e c i m e n ;c h e v r o ns p e c i m e n ;u n c e r t a i n t y ;e q u i v a l e n te l a s t i c m o d u
22、l u s ;d i m e n s i o ne f f e c t ,w e l d i n gm a t e r i a l 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密ll ,在年后解密后适用本授权书。 2 不保密l4 I ,适用本授权书。 ( 请在方框内打“) 学位论文作者签名:会舌 日
23、期:加归j 月7 日 指导教师签名:磊髟 日期易夕年,月髟日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包括任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体,均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人 承担。 本学位论文的主要创新点如下: ( 1 ) 基于现行断裂测试规范的相关柔度公式,推导出关于C T 和S E B 试样的吒L W 形的C O D 换算式,可实现对吼转换,进而通过测试试 样的裂纹嘴张开位移实现利用尸 曲线计算,积分,实
24、现了应用直通型 试样进行柔度断裂韧性测试方法的完整性,可推荐 c 国家测试标准修订采 用; ( 2 ) 通过有限元方法研究非标准试样的柔度与裂纹长度的关系,分别 提出适用于V 形裂纹试样和C T ( W ) 试样的柔度公式,通过测试裂纹张开位 移实现了以测试柔度预测特殊试样的裂纹长度,弥补了A S T MB 7 7 1 8 7 1 4 】和 N A C ET M 0 1 7 7 9 6 t 9 】标准中柔度测试方法的缺失; ( 3 ) 基于C T 和S E B 试样的柔度公式提出了一套估算等效弹性模量的 双参数数值模型,归纳了材料弹性模量厚度效应的影响规律,并提出了模量 的修正方法; ( 4
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- 基于 数值 分析 金属材料 断裂力学 测试 方法 研究
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