断裂力学分析工程应用系统

　　断裂力学是研究含裂纹构件断裂强度的一门学科,多年来已在航空航天、船舶、铁路、建筑、桥梁等许多工程领域得到应用,解决了大量生产际问题.特别是在抗断设计、合理选材、预测构件的疲劳寿命、制定合理的质量验收标准和检测制度以防止断裂事故的发生等方面发挥了重要的作用,已成为现代设计的有力工具[1].用断裂力学理论对工程结构进行设计和分析,涉及到大量领域知识、方法和经验,并需要进行复杂的运算和细微分析判断,才能得到可靠的结论.因此,开发一个基于断裂力学理论的工程构件设计、分析和评估系统,将为工程技术人员提供一种快速实用的工具,不但能大大节省设计评估的时间和人力,还能提高分析计算的可靠性.

　　1 典型工程构件的疲劳断裂分析

　　1.1 组合气缸的断裂力学分析

　　组合气缸即气缸套和气缸体组合件,是各种类型机车、汽车、坦克、船用柴油机上使用极为广泛的构件.常见的缺陷有3种类型:(1)气腔孔或注油孔附近因峰值应力在孔边产生单个或多个对称角裂纹(见图1).(2)气缸体内表面因与气缸套过盈配合以及因进、排气产生的三向脉动循环应力的作用而萌生的单根或多根纵向共线或平行偏置的表面浅长疲劳裂纹(见图2).(3)铸造产生的气孔、夹杂而形成的单个或多个共面或三维分布的裂纹群(见图2)[2].

　　1)对于缸体孔边角裂纹,其应力强度因子KI在B=0处有最大值(见图1),且

式中,t为切向拉应力;a为裂纹深度;c为裂纹半长;t为壁厚;r为孔半径;F(a/r)为孔尺寸修正系数.

E(k)为第2类椭圆积分

v为泊松比.

　　2)缸体内表面裂纹最常见的是纵向分布的浅长裂纹,有单根和多根、共线或平行偏置等几种形式.通常最有实用意义的是两根共线或平行偏置裂纹(等长)的计算.

　　共线裂纹

式中是平行偏置裂纹修正系数.

　　3)缸体厚度内埋藏的裂纹,一般以单个或多个裂纹呈三维状态存在.对于多个裂纹群,工程计算可把其中较大尺寸的裂纹在某一方向上的最大尺寸作为直径简化为等效圆片裂纹,并假定以共面或平行分布两种形式存在.

　　共面裂纹群

式中c₁与极角β以及裂纹数目有关.

　　平行分布裂纹群

　　关于裂纹扩展速率da/dN的计算,临界裂纹尺寸ac的计算,以及气缸组工作寿命的评估,裂纹尖端张开位移COD和J积分的具体计算,因篇幅所限不详述.

　　1.2 铸锻构件断口形貌转变温度FATT的确定

　　对于大型铸锻转子构件,工程上往往采用FATT法进行评定,其步骤如下: