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多尺度分析,演绎裂纹从“生”到“死”

2018/8/1    来源:索辰信息    作者:佚名      
关键字:多尺度分析  疲劳分析  裂纹  
疲劳失效是极其复杂的过程,受多种因素的影响,这其中包括宏观力学范畴,即裂纹萌生、扩展直至破坏;还包括微观力学范畴,即材料的微结构及其过程演化。疲劳破坏过程,从破坏机理上讲,是裂纹从“生”到“死”的过程,其本质上是从微观到宏观的跨尺度行为。

1.疲劳分析的必要性

    在工程结构设计的初期,设计人员为了确保结构的安全性,首先会考虑结构的静强度。但是很多零件即使在比自身结构静强度极限小很多的载荷作用下工作时,依然发生意外失效的事故,这就是疲劳失效造成的。其实在世界工业进程中,发生过非常多的因疲劳失效造成的重大事故。例如,发生在1956年,震惊世界的英国两架“彗星”式喷气客机接连在海上爆炸,主要原因就是一个铆钉疲劳失效引起了飞机解体。

    事实上,几乎所有工程机械或运输结构及其零部件在使用过程中都会受到外部载荷不规律的作用,在服役过程中,都面临着疲劳失效的问题。大到飞机、火车因零件疲劳问题造成的灾难性事故;小到设备因疲劳失效引发的停机、报废。因此,对结构的使用寿命,也就是疲劳寿命,以及失效机理进行准确分析,提前预测,对于结构的设计、维护,降低事故发生率都有着重要的实际工程意义。

设备因疲劳失效引发的停机、报废

图1 设备因疲劳失效引发的停机、报废

2.疲劳与裂纹的关系

    疲劳是一个发展的过程,结构在工作过程中不断形成损伤,慢慢累积,导致最后断裂,其背后的机理是裂纹从“生”到“死”的过程。在工程结构中,零件受到循环的应力、应变,在经过较长时间的工作后产生裂纹,裂纹的出现导致材料的抗拉强度及屈服强度降低,构件承载极限降低而致使构件突然断裂,构件的疲劳寿命也随之下降。

    此外,由于焊接工艺不过关、应力集中、材料自身缺陷以及疲劳等因素的客观存在,结构上都会存在微观的裂纹,因此实际工程中的结构不能像无缺陷结构一样发生弹塑性变形以抵消外部冲击作用。断裂力学考虑材料破坏是由于初始裂纹的扩展造成的,裂纹的起裂并不意味着试件或者材料体的破坏,而是在外界条件的作用下,有初始裂纹的材料会在裂纹尖端区域引起严重的应力集中现象,使得裂纹容易发生扩展,直至构件断裂失效。

有初始裂纹的材料

图2 有初始裂纹的材料

责任编辑:程玥
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