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本科毕业设计(论文)开题报告
题目: 变幅载荷作用下圆管形金属材料多轴疲劳行为数值计算
学生姓名 学 号 教学院系 专业年级 指导教师 职 称 单 位
一、目的意义和国内外研究概况:
1、论文的研究意义:
钻井过程中,钻杆或钻具是在复杂加载条件条件下工作的,一些承载构件通常承受的是一种多轴随机载荷作用。因此,系统深入地研究多轴疲劳理论对钻具疲劳失效具有非常重要的工程实际意义。
本课题采用试验(取钻井现场钻具失效数据记录)与数值分析相结合的方法,选用钻井材料中常用的35CrMo材料作为研究对象:对圆管试件进行一系列压-扭复合加载试验。探讨各种加载路径对疲劳寿命的影响,分析多轴疲劳损伤临界面上的应力-应变状态,寻找出一种新的具有明确物理意义的多轴疲劳破坏准则
2、国内外研究概况:
多轴疲劳是指疲劳损伤发生在多轴应力状态下,即两个或三个主应力(主应变)的方向和幅度随时间变化。如果主应力(主应变)的幅值随时间发生变化,而其方向并不随时间改变,此时结构承受的是比例载荷;如果主应力(主应变)不仅幅度改变,而且方向也随着时间的改变而发生改变,那么结构承受的就是非比例载荷。
对多轴疲劳的研究起始于19世纪80年代,仅比Wohler提出“耐久极限”概念的时间晚了不到30年。1886年,Lanza进行了比例弯扭复合加载试验,对多轴疲劳问题进行了初步研究]。但是,目前对于多轴疲劳理论的研究还没有像单轴疲劳理论研究那样全面、深入。这是因为相对于单轴疲劳而言,多轴疲劳无论是在力学分析方面、试验研究方面、乃至物理机制方面都更为复杂。当材料在非比例循环载荷作用下,由于应力和应变主轴的不断旋转,开动了更多的滑移系,疲劳裂纹可以在不同的方向、不同的平面内形成。不同滑移系的位错交互作用,导致了与比例循环载荷下不同的材料响应。因此,在多轴疲劳情况下,循环应力-应变关系、疲劳裂纹萌生和扩展方向、疲劳寿命、疲劳累积理论等各方面将受到更多因素的影响。
近年来,由于新一代电液伺服多轴疲劳试验机的出现,使零构件在实际服役中受到的复杂载荷历史得以再现,为多轴疲劳研究提供了有力的手段,从而使人们能够更深入地研究多轴疲劳机制,使多轴疲劳研究取得了很大进展。金属材料的多轴疲劳行为与寿命估算
目前广泛开展的关于多轴疲劳的研究大致可分为以下几类:
(1)多轴疲劳试验技术的发展以及为验证已有的分析方法提供试验数。
(2)发展和评估多轴疲劳寿命预测方法;
(3)变幅和随机载荷作用下的多轴疲劳研究;
(4)缺口构件的多轴疲劳问题;
(5)多轴本构方程的发展,尤其是非比例加载下的弹塑性本构方程的发。
二、国内外圆管多轴疲劳行为的发展及研究动向:
1、研究内容、研究目标和拟解决的关键问题:
1.1 研究内容 :
本课题以钻井材料中常用的35CrMo为作用对象,研究在变幅和随机载荷作用下其圆管现状的多轴疲劳行为,并对比井场记录数据,进行数值分析。具体内容如下:
(1)对35CrMo圆管进行多种比例和非比例压-扭复合加载数值分析,探讨各种加载路径对疲劳寿命的影响。
(2)对35CrMo圆管缺口试件进行多种比例和非比例压-扭复合加载数值分析,研究缺口孔边裂纹萌生方向与各应力、应变参数以及疲劳损伤参量之间的关系,确定合理的临界面定义。
(3)基于临界面方法,重点对临界面上的各应力、应变参数与疲劳寿命的关系进行深入分析,寻找出一个新的具有明确物理意义的多轴疲劳损伤参量。
(4)探讨35CrMo在多轴载荷下的疲劳损伤累积规律,建立一个新的非线性多轴疲劳损伤累积模型,使之不仅适用于多轴变幅加载情况,而且适用于多轴变路径加载情况。
1.2 研究目标 :
(1)以35CrMo材料作为研究对象:对圆管试件进行一系列压-扭复合加载数值分析。
(2)探讨各种加载路径对疲劳寿命的影响,分析多轴疲劳损伤临界面上的应力-应变状态,寻找出一种新的具有明确物理意义的多轴疲劳破坏准则。
1.3 拟解决的关键问题 :
(1)35CrMo圆管加载路径对疲劳寿命的影响。
(2)35CrMo合理的临界面的确定。
(3)寻找出一个新的具有明确物理意义的多轴疲劳损伤参量,建立一个新的非线性多轴疲劳损伤累积模型。
2.圆管疲劳行为和应力分析:
2.1圆管疲劳行为的研究趋势:
薄壁管试验件是一个简单的几何结构,可以通过对其施加多种形式的载荷,如拉、扭、内压、外压等,来实现各种需要的应力或者应变状态。而且,即使在塑性范围内也可以对薄壁管试验件进行精确的应力-应变分析。由此可知薄壁管试验件是最符合要求的多轴疲劳试验件。
2.2理论基础:
图1 薄壁圆管试验件
σrNmN = C (1)
σrN称为有限疲劳极限,脚标r代表该应力的应力比,N代表相应的应力循环次数,C代表某一常数。
2.
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