断裂力学,热疲劳,可靠性,ABAQUS热传导

断裂力学热疲劳可靠性2年代设计水平190020001800静强度设计使用故障、失效研究抗疲劳设计抗断裂设计耐久性设计可靠性设计断裂力学线弹性断裂力学（LEFM）弹塑形断裂力学（EPFM）断裂力学包括疲劳断裂，腐蚀疲劳断裂，高温蠕变断裂等专门课题裂纹扩展前裂纹尖端无塑性区，或塑性区范围尺寸较之裂纹长度小得多。裂纹尖端塑性区尺寸增大到与裂纹长度同一量级或更大。线弹性断裂力学(LEFM)根据几何特征：穿透裂纹，表面裂纹，深埋裂纹根据裂纹受力和断裂特征：如下1，2，3型（1型最多见）1型2型3型ttxyzttxyzssxyz确定裂纹失稳扩展的物理量K：应力强度因子（K准则）G：能量释放率（G准则）*K准则*G准则右端是材料抵抗宏观裂纹失稳扩展的韧性参数，是材料本身物理属性，由实验定出。cKK11cGG11线弹性断裂力学准则弹塑性断裂力学(EPFM)LEFM得到成功应用的同时，也受到很大的限制，在金属裂纹尖端，由于高度应力集中，总会存在塑性区。除了裂纹尖端塑性区比裂纹尺寸小得多的小范围屈服仍然可采用LEFM准则外，当裂纹尖端塑性区尺寸已接近或显著超过裂纹尺寸，LEFM准则不再试用，而必须采用弹塑性断裂准则。弹塑性断裂力学准则裂纹张开位移准则（COD准则）优点：简单有效地解决实际问题缺点：COD不是直接的严密的应力、应变场参量，COD本身的确定尚未统一且难以测量J积分准则优点：定义明确，理论上严密的应力、应变场参数，易于计算，试验测定较简单可靠缺点：理论基础是全量理论，而非增量理论，在理论上和应用上带来了限制J积分准则表达式W是平面体内的应变能密度适用于弹性体和塑性体的单调加载（无卸载）情况线弹性范围，J与G等价J积分守恒性：与积分路径无关前提：不允许卸载；小变形；无体积力riidsxuTdyWJ])([疲劳裂纹扩展疲劳破坏几个阶段（a）裂纹成核阶段（b）微观裂纹扩展阶段，也称为裂纹扩展的第一阶段（c）宏观裂纹扩展阶段，一般认为裂纹长度从0.1mm扩展到临界裂纹长度，为宏观裂纹扩展阶段，又称第二阶段（d）断裂阶段疲劳裂纹扩展速率应力循环ΔN次后，裂纹扩展量为Δa，Δa/ΔN称为疲劳裂纹扩展速率。极限情况下，用da/dN表示。1.应力疲劳：高循环，低载荷，裂纹扩展速率低（da/dN10-2mm/次），裂纹长度远远超过裂纹尖端塑性区长度，ars2.应变疲劳：高应力，低循环，裂纹扩展速率高（da/dN10-2mm/次），a≤rsParis半经验公式：nIKCdNda)(/疲劳设计方法无限寿命设计：不萌生裂纹，SaSf，裂纹不扩展：KKth有限寿命设计：依据S-N、-N曲线和Miner理论、相对Miner理论进行。损伤容限设计：考虑裂纹，以检查保安全。耐久性经济寿命分析：考虑裂纹群及其扩展，考虑使用载荷下的结构损伤状态，考虑维修经济性。热疲劳（thermalfatigue）热应力零件各部分受热不同，温度不同，产生的变形也不同，零件材料产生变形的金属与变形小的金属或未产生变形的金属相互约束和牵制而产生由温差引起的应力，即热应力。零件内外表面温差、同一截面上中心与边缘的温差均会产生热府力，高温面(或处)产生压应力，低温(或处)产生拉应力。热疲劳零件在循环热应力反复作用下产生的疲劳破坏。高温对热疲劳的影响：在热疲劳过程中由于高温引起材料内部组织结构变化，降低了材料的热疲劳抗力；高温促使表面和裂纹尖端氧化甚至局部熔化，加速热疲劳破坏；零件截面上存在温度梯度，特别是厚壁零件温度梯度更大，在温度梯度最大处造成塑性应变集中，促进热疲劳破坏的发生。另外，高温引起蠕变现象。形成扩展机理：热疲劳裂纹在受热表面热应变最大区域形成，一般有几个疲劳裂纹源，裂纹沿表面垂直受热方向扩展，并向表面内纵深方向发展。影响因素：热疲劳裂纹与循环温差、零件表面缺口状态以及材料有关。循环温差越大、表面缺口越尖锐，就越容易发生热疲劳。金属材料的热疲劳抗力不但与材料的导热性、比热等热力学性质有关，而且与弹性模量E、屈服极限σs等力学性能有关。所以导热性差的脆性材料，如灰口铸铁容易发生热疲劳破坏。提高材料热疲劳抗力的途径主要有:(1)尽可能地减少甚至消除零件上的应力集中和应变集中；(2)提高材料的高温强度；(3)提高材料的塑性；(4)降低材料的热膨胀系数。可靠性可靠性：系统或部件在给定的使用期间，在给定的环境中，顺利地完成原计划功能的概率。用概率作为定量来表达可靠性时，这个概率称为可靠度。F(t)表示在期间t时结构发生失效的概率，即累积失效分布函数，R(t)表示期间t时结构存活的概率，即可靠度函数，f(t)表示失效密度函数，h(t)表示瞬时失效率，即风险函数，则有如下关系：f(t)/R(t)=h(t)-dR(t)/dt=dF(t)/dt=f(t)1=R(t)+F(t)tdtthetR0)()(最后一式为可靠度的一般表达式概率断裂力学（PFM）可靠性原理引入到断裂力学中，形成断裂力学一个新的分支——概率断裂力学（ProbabilityFractureMechanics）常用分布：正态分布威布尔分布以K准则为例推导出可靠度R的一般表达式为（任意分布）:给定分布时，可由上式求得可靠度。CKCdKdKKKfRC1111])([)(1疲劳可靠性随机载荷下的疲劳可靠性分析疲劳裂纹扩展可靠性主要考虑初始裂纹的深度a0和长度2c0，初始裂纹角度H0，疲劳载荷T，材料裂纹扩展参数C和m,裂纹扩展门槛值Kth以及断裂韧度K1c的随机性影响。在疲劳载荷作用下,经过一定的使用寿命后,结构的初始裂纹a0扩展到裂纹尺寸a时,结构的安全性指标常用应力强度因子K或J积分、裂纹长度a、剩余强度S或剩余寿命来判断,其中裂纹扩展剩余寿命N相对于a和K,更易于测量,并且其分布规律的认识较为统一,基本上认为其服从对数正态分布或威布尔分布。其可靠性模型表征为：R=P{N\N*}式中:N*为指定或要求的扩展寿命。ABAQUS中的热传导特性--稳态响应--瞬态响应，包括自适应时间步长--全套热传导边界条件--材料属性（和载荷）可以是温度相关--热“接触”允许在“接触表面”有热流动--可以方便的将温度场导入热应力分析中--特性•潜热项（由相变产生）•强制对流•应力-热传导耦合分析功能•热传导壳单元(沿厚度方向温度梯度)•空腔辐射(加热炉升温)功能ABAQUS不能做什么——ABAQUS不是专业热传导分析软件•无流体分析•无自由对流•无浮力驱使流动•对热冲击问题无自适应网格划分•无逆传热分析热传导例子温度场与时间关系温度引起的热应力