图8.11短、长裂纹群体共同演化过程的多尺度模拟和分析结果综上所述，针对金属材料及结构在复杂服役环境下的高、低周疲劳交互作用的损伤问题，须在疲劳损伤演化过程中考虑短裂纹与长裂纹同时存在且共同演化的情况，建立结构中的宏观唯象疲劳损伤变量与材料内部群体短裂纹与长裂纹共同演化行为之间相互关联的关系的多尺度疲劳损伤模型。......
2023-08-26
疲劳裂纹扩展规律分析
【摘要】：在疲劳裂纹萌生之后，位于桁架斜腹杆翼缘边缘的疲劳裂纹即开始向腹板方向稳定扩展，其中裂纹的扩展规律是评估疲劳损伤的重要依据。图2.32疲劳裂纹尖端细观变形图图2.32中，上方的图像是疲劳裂纹处于闭合状态时的，下方的图像是疲劳裂纹处于张开状态的。图2.35型钢构件翼缘处疲劳裂纹扩展过程
在疲劳裂纹萌生之后，位于桁架斜腹杆翼缘边缘的疲劳裂纹即开始向腹板方向稳定扩展，其中裂纹的扩展规律是评估疲劳损伤的重要依据。根据上一节中对于疲劳裂纹萌生过程的论述，在疲劳裂纹萌生于试样内部的条件下，表面疲劳裂纹的长度并不能反映疲劳裂纹的真实长度，需要借助实验手段评估试样内部疲劳裂纹尖端位置并确定疲劳裂纹的真实长度。具体而言，在斜腹杆1易损局部复杂应力条件下，疲劳裂纹呈现独特的张开与闭合现象，借助光测技术，使用配备显微镜头的CCD获得了表面疲劳裂纹尖端的数字图像，如图2.32所示。
图2.32 疲劳裂纹尖端细观变形图
图2.32中，上方的图像是疲劳裂纹处于闭合状态时的，下方的图像是疲劳裂纹处于张开状态的。由图可见，疲劳裂纹张开后，构件表面可见一条细小的“纹路”，而疲劳裂纹闭合后该“纹路”消失，根据断裂力学理论判断，该“纹路”属于未穿透裂纹，是表面裂纹在构件内部的延伸，而未穿透的裂纹尖端才是真正的疲劳裂纹尖端。为进一步定性以及定量分析上述现象，利用散斑相干分析技术，建立两张图片的位移对应关系从而得到一个循环加载周期疲劳裂纹尖端的位移场，进而得到其应变场的等高线及应变云图（如图2.33）和主应变梯度分布图（如图2.34所示）。
在图2.33中，排除图2.34中众多亮斑导致的相关分析误差，两个相互交错的平面代表了图2.32中疲劳裂纹的上下表面，平面之间的空缺代表了疲劳裂纹的宽度，而平面之间的夹角即为疲劳裂纹相对转动的角度，这说明疲劳裂纹尖端上下表面确实存在相对转动，相对转动的顶点即是未穿透裂纹的尖端。此外，在图2.34中，考虑到实验误差的影响，只有在疲劳裂纹两侧和尖端存在明显的应变变形场，并且疲劳裂纹尖端塑性区基本呈长条形分布，长约0.2mm；此外，位于疲劳裂纹尖端塑性区附近的应变场存在较大的应变梯度，且垂直方向的疲劳裂纹应变梯度大于平行方向裂纹，上述实验现象基本符合断裂力学Dugdale模型对于有效裂纹的估计。
图2.33 疲劳裂纹尖端裂纹张开细观位移场（等高线及云图）
图2.34 疲劳裂纹尖端主应变梯度分布（彩图见附录）
根据上述分析，以构件内部疲劳裂纹尖端为参考修正了表面疲劳裂纹的长度，得到如图2.35所示疲劳裂纹的萌生和初步扩展规律。其中斜腹杆反面翼缘处的疲劳裂纹于70万次疲劳周期时萌生，经过稳定扩展之后，于140万次疲劳周期时进入快速扩展阶段；斜腹杆正面翼缘处疲劳裂纹的萌生和演化过程稍落后于反面，并分别于100万次和160万次疲劳周期时萌生和进入快速扩展阶段。总之，在斜腹杆上两条疲劳裂纹从萌生到初步扩展至2～3mm的阶段，两者的演化过程均遵循萌生、稳定扩展和迅速扩展的三阶段特征，对于桁架典型构件而言，其损伤呈现逐步累积并不断加速演化的规律。
图2.35 型钢构件翼缘处疲劳裂纹扩展过程
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2023-08-26
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