考慮裂紋閉合效應的疲勞裂紋擴展有限元分析

賴森華，孫維光，田洪雷，于洋洋

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

1 引言

周期性載荷下結構疲勞失效機理和壽命預測一直是工程領域的研究熱點和難點。當工程結構承受典型循環(huán)拉伸載荷時，將導致結構內(nèi)部損傷的產(chǎn)生和疲勞裂紋擴展，此時裂紋尖端會形成兩種不同的塑性區(qū)，其中，裂尖后端的反向塑性區(qū)將阻止低應力下裂紋面的閉合，使外載不再對裂紋尖端做功，即塑性誘發(fā)的裂紋閉合效應。文獻[1]最先提出此概念，并給出有效應力強度因子對裂紋擴展速率進行預測。

裂紋面閉合后，僅當外載大于裂紋張開應力時，裂紋才能張開并發(fā)生裂紋擴展，因此裂紋擴展速率和壽命預測與裂紋張開應力密切相關。對于此方面的研究眾多學者采用經(jīng)驗公式[2?3]、理論分析[4?5]和數(shù)值計算[6?7]的方法給出裂紋張開應力。文獻[7]對鑄造鈦合金ZTC4進行了疲勞試驗，結合斷口分析研究了裂紋擴展行為，基于小裂紋理論對ZTC4的疲勞壽命進行了預測，但經(jīng)驗公式容易受限于試驗條件以及一定的材料和應力比范圍。理論分析雖然可獲得精確的張開應力，但需要基于假設條件，局限于較為簡單的裂紋幾何構型上的應用。

對于復雜裂紋幾何或外載條件，采用有限元法分析塑性誘發(fā)的裂紋閉合效應是一種有效手段[9]。其基本流程是通過建立一個帶有初始裂紋的有限元模型，外加載荷作用于模型的遠端。在恒幅加載條件下，載荷循環(huán)于最大外加載荷和最小外加載荷之間，在循環(huán)外載作用下，裂紋按照某種指定的方式向前擴展，導致在裂紋尖端后方形成一條塑性尾跡區(qū)。……