摩擦疲劳复合作用下表面裂纹应力场特性及寿命预测研究

作     者：姜云龙 

作者单位：东北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：闫玉涛

授予年度：2018年

学科分类：07[理学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0701[理学-数学] 

主      题：裂纹尖端 摩擦疲劳 热-结构耦合 应力强度因子 寿命预测 

摘      要：裂纹问题在实际工程中普遍存在,是引起工程事故的主要原因,而拉伸载荷是造成含裂纹结构件发生疲劳破坏的主要载荷形式。对于含裂纹结构件,在拉伸载荷作用下裂纹的扩展对其使用寿命的预测起着非常关键的作用。本文以荷载滑动摩擦疲劳系统为研究对象,基于断裂力学理论及有限元方法分析了滑动摩擦效应对裂纹扩展的影响,主要研究工作如下:首先,运用ABAQUS建立含1/4椭圆型表面裂纹结构件的有限元模型,运用ABAQUS有限元软件对裂纹尖端应力场的奇异化进行处理,并模拟三维表面裂纹的扩展过程。运用ABAQUS有限元计算裂纹尖端的应力强度因子,通过与理论计算结果的比较,验证了应用有限元求解应力强度因子方法的准确性。其次,建立了典型的滑动摩擦-疲劳有限元分析模型,通过有限元方法仿真模拟滑动摩擦过程,得到了裂纹尖端随时间变化的等效应力云图,并分析了不同法向载荷、不同摩擦因数、不同滑动速度下表面裂纹尖端的应力场的变化规律,摩擦疲劳系统表面的应力值和温度值随法向载荷、滑动速度、摩擦因数的增加而增加。再次,建立了热-结构耦合作用下的滑动摩擦疲劳有限元模型,通过赋予材料热属性,在考虑了摩擦生热、热传导及与外界环境热对流的基础上,得到了应力场和温度场的分布。结果表明:法向载荷P的变化对摩擦疲劳系统热应力、温升的影响最大;摩擦因数fs对摩擦疲劳系统温度的变化规律影响较大,而对其热应力变化规律影响较小;滑动速度v越大,摩擦疲劳系统的热应力值和温升就越大,但与滑块运动速度成非线性关系。最后,根据Paris公式,给出了疲劳裂纹寿命预测模型,并据此对摩擦疲劳系统中含裂纹结构件裂纹疲劳寿命进行了估算,分析了摩擦效应对裂纹疲劳寿命的影响。