应力强度因子和J积分2报告

疲劳与断裂力学课程设计基于ANSYSWorkbench的试件应力强度因子和J积分计算班级：工程力学2班姓名：刘丰嘉学号：20114547指导老师：康国政日期：2014年12月28日疲劳与断裂力学课程设计前言在各类工程设计中，如从机械行业、建筑行业等到微电子封装行业等，人们最关心的往往是结构或构件的强度、寿命和经济性。不管是传统材料还是新技术、高新技术材料都是在一定环境和载荷下使用的，它们都会遇到变形和破坏及使用寿命的问题。工程材料的破坏往往与裂纹的扩展密切相关，而裂尖前缘很小区域内的应力、应变及微观结构组织上的变化是影响裂纹扩展的主要因素。在一般情况下，从断裂力学角度看来，裂纹是引起各种结构、零部件失效及工程中的各类重大事故的根源。因此，发现各种裂纹现象、了解裂纹扩展及失稳扩展的条件、掌握裂纹扩展的规律及控制裂纹的扩展非常有必要。本文以典型的紧凑拉伸试样为研究对象，使用ANSYSWorkbench软件平台建立了其二维模型，分别使用线弹性和弹塑性材料模型，从平面应力的角度分析裂纹在规定载荷作用下对试件整体应力的影响，并计算出了与裂纹相对应的应力强度因子和J积分。疲劳与断裂力学课程设计目录1课程设计目的和计算理论...................................................................................................11.1课程设计目的...............................................................................................................11.2计算理论........................................................................................................................11.2.1过盈配合的处理.....................................................................................................11.2.2螺栓单元和预紧力.................................................................................................22计算模型介绍.......................................................................................................................62.1柴油机连杆简介............................................................................................................62.2连杆模型的简化方法....................................................................................................62.3连杆的材料参数.............................................................................错误!未定义书签。2.4连杆模型的载荷施加.....................................................................错误!未定义书签。2.5连杆模型的约束条件及考核标准.................................................错误!未定义书签。2.5.1约束条件..................................................................................错误!未定义书签。2.5.2考核标准..................................................................................错误!未定义书签。3三维模型的建立...................................................................................................................73.1建立连杆模型................................................................................................................73.2建立大端盖模型.............................................................................错误!未定义书签。3.3完成螺栓创建以及模型装配.........................................................错误!未定义书签。4柴油机连杆的强度分析........................................................................错误!未定义书签。4.1导入模型并输入材料参数.............................................................错误!未定义书签。4.2修改三维模型.................................................................................错误!未定义书签。4.3创建大端轴瓦和衬套.....................................................................错误!未定义书签。4.4剖分截面.........................................................................................错误!未定义书签。4.5设置接触条件.................................................................................错误!未定义书签。4.5.1设置大端盖与连杆之间的接触。..........................................错误!未定义书签。4.5.2设置过盈接触..........................................................................错误!未定义书签。4.5.3设置其余的绑定接触..............................................................错误!未定义书签。4.6划分整体单元网格.........................................................................错误!未定义书签。4.7施加载荷和设置边界条件.............................................................错误!未定义书签。4.7.1施加拉伸载荷..........................................................................错误!未定义书签。疲劳与断裂力学课程设计4.7.2施加螺栓预紧力......................................................................错误!未定义书签。4.8连杆强度分析.................................................................................错误!未定义书签。4.8.1整体应力分析..........................................................................错误!未定义书签。4.8.2接触应力分析..........................................................................错误!未定义书签。4.8.3连杆组的变形量分析..............................................................错误!未定义书签。5结论....................................................................................................错误!未定义书签。疲劳与断裂力学课程设计11课程设计目的和理论基础1.1课程设计目的了解裂纹的形成过程和预防方法了解裂纹的应力强度因子和J积分理论实现方法分别使用线弹性和弹塑性材料计算模型的J积分1.2理论基础1.2.1裂纹随着现代高强材料和大型结构的广泛应用，一些按传统强度理论和常规方法设计、制造的产品，发生了不少重大断裂事故。从大量断裂事故分析中发现，断裂皆与结构中存在缺陷或裂纹有关。裂纹的存在会降低结构系统的安全性，甚至导致整个系统的失效。裂纹是断裂力学从实际材料中存在的各种缺陷（如气孔、夹杂、疏松、缩孔、白点、应力腐蚀引起的蚀坑、交变荷载下产生的疲劳源）中抽象出来的力学模型。裂纹尖端曲率半径，这种裂纹又叫“尖裂纹”，断裂力学假设存在于连续介质中的裂纹均为尖裂纹。断裂力学中处理的裂纹可分为二类：一类是贯穿裂纹（平面问题）；一类是表面裂纹和深埋裂纹（空间问题）。如图1.2.1所示：疲劳与断裂力学课程设计2图1.2.1裂纹分类无论哪一类裂纹，依据外加应力与裂纹面的取向关系，可以有三种变形方式：1）拉开裂纹──这种变形叫张开型或I型，易于实验。2）滑开裂纹──这种变形叫滑开型或II型，不易实验。3）撕开裂纹──这种变形叫撕开型或III型，易于实验。对于开裂的一般情况可用三种型式的迭加来描述，这时称为复合型裂纹。I型是在正应力作用下裂纹张开而伸展，这是最危险的受力状态，II、III型由于实际裂纹面存在摩擦而降低了裂尖的应力强度，复合型裂纹也只在裂纹确实张开的条件下才有意义。裂纹在应力作用下会发生扩展，裂纹的扩展有慢速扩展和失稳扩展（快速扩展）。慢扩展不可怕，因为人们有时间观察它的变化。失稳扩展速度快，导致构件的突然断裂，危险很大。1.2.2应力强度因子（1）应力强度因子理论在断裂力学的工程应用中，应力强度因子是判断含裂纹结构的断裂和计算裂纹扩展速率的重要参数。反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量称为应力强度因子，它和裂纹尺寸、构件几何特征以及载荷有关。应力在裂纹尖端有奇异性，而应力强度因子在裂纹尖端为有限值。裂纹尖端存在奇异性，即:基于这种性质，1957年Irwin提出新的物理量—应力强度因子K，即：1960年Irwin用石墨做实验，测定开始裂纹扩展时的断裂判据(K准则)（2）确定应力强度因子的有限元法计算平板以及板形构件中表面裂疲劳与断裂力学课程设计3纹的应力强度因子的方