典型結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計方法課件

1、本講內(nèi)容本講內(nèi)容321加勁板結(jié)構(gòu)的斷裂分析加勁板結(jié)構(gòu)的斷裂分析焊接結(jié)構(gòu)中的斷裂問題焊接結(jié)構(gòu)中的斷裂問題殼體結(jié)構(gòu)斷裂特性分析殼體結(jié)構(gòu)斷裂特性分析4提高結(jié)構(gòu)損傷容限特性的措施提高結(jié)構(gòu)損傷容限特性的措施加勁板結(jié)構(gòu)的斷裂分析加勁板結(jié)構(gòu)的斷裂分析 加勁板剩余強度和裂紋擴展規(guī)律研究在飛機損傷容限設(shè)計中具有重要意義。對于加勁板的斷裂特性研究必須回答以下問題：加勁板與非加勁板斷裂特性的差異？加勁板的剩余強度如何變化？加勁板中裂紋擴展如何計算？ 非加勁板的斷裂特性非加勁板的斷裂特性含裂紋非加勁板含裂紋非加勁板P曲線具曲線具有明顯的非線性特性，產(chǎn)生有明顯的非線性特性，產(chǎn)生非線性的兩個原因：非線性的兩個原因：(1)

2、 塑性變形；塑性變形；(2) 裂紋出現(xiàn)亞臨界擴展裂紋出現(xiàn)亞臨界擴展非加勁板的剩余強度曲線非加勁板的剩余強度曲線工程上用初始裂紋長度工程上用初始裂紋長度a0在裂紋擴展過程中所承受的最大載荷在裂紋擴展過程中所承受的最大載荷C表示非加勁板的剩余強度，其所對應(yīng)的應(yīng)力強度因子稱為表觀斷表示非加勁板的剩余強度，其所對應(yīng)的應(yīng)力強度因子稱為表觀斷裂韌性裂韌性KAPP。加勁板的斷裂特性加勁板的斷裂特性 加勁板的組成：面板；桁條；鉚釘加勁板的組成：面板；桁條；鉚釘 分析對象：分析對象：Q 面板等厚度面板等厚度(t)(t)，無限大，無限大Q 含有等含有等間間距距(S)(S)平行的加強桁平行的加強桁條條Q 兩兩桁桁條

3、條之之間間的面板含有的面板含有長為長為2a2a的中心穿透裂的中心穿透裂紋紋Q 無無窮遠處窮遠處，面板上，面板上載載荷荷為為 ，橫條橫條上上載載荷荷EES S/ /E E加勁板的斷裂特性加勁板的斷裂特性無裂紋時 Q面板與桁條應(yīng)變相同，鉚釘不受力面板中出現(xiàn)裂紋后產(chǎn)生兩個效果Q降低了面板中裂紋尖端的應(yīng)力強度因子Q增加了桁條內(nèi)的載荷 含裂紋加勁板的斷裂特性用應(yīng)力強度因子降低系數(shù)含裂紋加勁板的斷裂特性用應(yīng)力強度因子降低系數(shù)C C和桁條載荷集中系數(shù)和桁條載荷集中系數(shù)L L表示。表示。C C和和L L與與a/s,a/s,桁條面積桁條面積、材料、材料和形狀、鉚釘間距和材料和形狀、鉚釘間距和材料等因素有關(guān)。等因

4、素有關(guān)。1非加勁加勁KKC1maxFFL加勁板C和L隨裂紋長度的變化關(guān)系強桁條從開裂蒙皮上傳遞的載荷較多，裂紋尖端的應(yīng)力強度因子較小，故C較小，而其從蒙皮取得的載荷相對自身已經(jīng)承擔(dān)的載荷來說相對較小，故其L也較小。桁條遠離裂紋尖端時K下降不明顯，當(dāng)裂尖靠近桁條時K下降較多，裂紋通過桁條時下降最多。剛度比越大則C越小。桁條對應(yīng)力強度因子下降越明顯StEEAEA2SSSSC隨a/s和的變化關(guān)系L隨裂紋長度的增加而增加，裂紋較長時L達到極值；L的極值與有關(guān)， 較小時承載最大的桁條的應(yīng)力比遠處桁條的應(yīng)力要大得多。StEEAEA2SSSSL隨隨a/s和和的變化關(guān)系的變化關(guān)系越靠近裂紋的鉚釘受的力越大，當(dāng)

5、裂紋很短時，鉚釘力很??； 裂紋長度不超過一個桁條間距時，桁條的剛度越大鉚釘力也越大。鉚釘力鉚釘力(最靠近裂紋最靠近裂紋)隨隨a/s和和的變化關(guān)系的變化關(guān)系加勁板的剩余強度曲線加勁板的剩余強度曲線加勁板的剩余強度與面板和桁條的剛度比有關(guān)。中，要以相當(dāng)大的桁條應(yīng)力集中才能換取不大的應(yīng)力強度因子減小。因此，總是桁條首先失效，然后造成整個壁板斷裂。中，裂紋尖端應(yīng)力強度因子降低很多的情況下桁條的應(yīng)力集中仍然很小。因此，加勁板的破壞是主要由于平板的快速斷裂造成。弱桁條加勁板的剩余強度弱桁條加勁板的剩余強度小尺寸裂紋：裂紋擴展沿小尺寸裂紋：裂紋擴展沿ABCD，桁條未能阻止裂紋擴展，桁條未能阻止裂紋擴展中尺寸

6、裂紋：裂紋擴展沿中尺寸裂紋：裂紋擴展沿KLMNH，桁條在，桁條在N點起到止裂作用點起到止裂作用長尺寸裂紋：裂紋擴展沿長尺寸裂紋：裂紋擴展沿EFGH，桁條止裂作用明顯，擴展穩(wěn)定，桁條止裂作用明顯，擴展穩(wěn)定強桁條加勁板的剩余強度強桁條加勁板的剩余強度裂紋長為裂紋長為2a時，裂紋沿時，裂紋沿ABCDE擴展，擴展，E點所對應(yīng)的載荷即為點所對應(yīng)的載荷即為小于桁條間距的裂紋所對應(yīng)的剩余強度的下限值。小于桁條間距的裂紋所對應(yīng)的剩余強度的下限值。考慮連接件破壞時考慮連接件破壞時載荷通過連接件從板傳遞到桁條，在裂紋兩側(cè)的連接件載荷較高，容易產(chǎn)生載荷通過連接件從板傳遞到桁條，在裂紋兩側(cè)的連接件載荷較高，容易產(chǎn)生破

7、壞。連接件破壞會降低桁條的有效性。破壞。連接件破壞會降低桁條的有效性。構(gòu)件沿構(gòu)件沿EFGKKH破壞，連接件首先破壞，然后桁條破壞。破壞，連接件首先破壞，然后桁條破壞。C和和L的計算方法的計算方法v作為彈性力學(xué)平面問題求解，解出裂紋尖端應(yīng)力場作為彈性力學(xué)平面問題求解，解出裂紋尖端應(yīng)力場v集中系數(shù)法，將加勁板簡化為板和桿組成的網(wǎng)絡(luò)集中系數(shù)法，將加勁板簡化為板和桿組成的網(wǎng)絡(luò)v將鉚釘力作為未知數(shù)的方法，工程中經(jīng)常采用將鉚釘力作為未知數(shù)的方法，工程中經(jīng)常采用Q 應(yīng)用平衡條件以及桁條和面板在鉚釘處位移相等求得jjssjjjFEWtELaFKC11加勁板的止裂方法加勁板的止裂方法 止裂有兩個重要內(nèi)容：v 對

8、疲勞裂紋的限制v 限制裂紋失穩(wěn)快速擴展 止裂的三種途徑：v 減小裂紋尖端的應(yīng)力強度因子，如加止裂帶v 減小應(yīng)力集中系數(shù)，如加止裂孔；v 引進殘余壓應(yīng)力，如采用預(yù)擠壓、噴丸強化等 本講內(nèi)容本講內(nèi)容321加勁板結(jié)構(gòu)的斷裂分析加勁板結(jié)構(gòu)的斷裂分析焊接結(jié)構(gòu)中的斷裂問題焊接結(jié)構(gòu)中的斷裂問題殼體結(jié)構(gòu)斷裂特性分析殼體結(jié)構(gòu)斷裂特性分析4提高結(jié)構(gòu)損傷容限特性的措施提高結(jié)構(gòu)損傷容限特性的措施殼體結(jié)構(gòu)斷裂特性分析殼體結(jié)構(gòu)斷裂特性分析 飛機的機身、火箭的外殼、核反應(yīng)堆的儲箱、船舶和壓力容器等都是由曲板和殼體結(jié)構(gòu)組成的。這些大型結(jié)構(gòu)的斷裂分析和控制具有重要意義。兩類典型結(jié)構(gòu)加勁薄殼結(jié)構(gòu)壓力容器加勁薄殼結(jié)構(gòu)斷裂分析加勁薄

9、殼結(jié)構(gòu)斷裂分析加勁薄殼結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵是其應(yīng)力強度因子的計算，在同樣材料平板應(yīng)力強度因子的基礎(chǔ)上，考慮到各種影響因素的修正得到。并且在線彈性范圍內(nèi)，這些影響可以分開來處理。曲率的影響曲率的影響對于曲率不大的扁球薄殼壓力容器，采用修正系數(shù)對于曲率不大的扁球薄殼壓力容器，采用修正系數(shù)MF考慮考慮曲率的影響曲率的影響RhaMF26 . 11裂紋邊緣失穩(wěn)或內(nèi)壓鼓出的影響裂紋邊緣失穩(wěn)或內(nèi)壓鼓出的影響鼓出是由于裂紋邊緣的拉伸應(yīng)力的消失造成的。由于鼓出鼓出是由于裂紋邊緣的拉伸應(yīng)力的消失造成的。由于鼓出引起的裂紋尖端的局部彎曲而引起的裂紋尖端的局部彎曲而增大應(yīng)力強度因子增大應(yīng)力強度因子。裂紋的。裂紋的邊緣失穩(wěn)或

10、內(nèi)壓鼓出將使臨界斷裂應(yīng)力降低邊緣失穩(wěn)或內(nèi)壓鼓出將使臨界斷裂應(yīng)力降低20%30%。平行于裂紋的軸向應(yīng)力的影響平行于裂紋的軸向應(yīng)力的影響 無加強桁條時，軸向應(yīng)力使得內(nèi)壓造成的邊緣失穩(wěn)或內(nèi)壓無加強桁條時，軸向應(yīng)力使得內(nèi)壓造成的邊緣失穩(wěn)或內(nèi)壓鼓出減輕，從而使應(yīng)力強度因子降低。鼓出減輕，從而使應(yīng)力強度因子降低。有加強桁條時，桁條阻止平板材料在垂直裂紋方向的收縮，桁條承受壓縮應(yīng)力，板在鉚釘處收到拉伸載荷，增加了應(yīng)力強度因子。橫向加強件的約束作用橫向加強件的約束作用 橫向加強件使加勁板附近的面板處于雙向受拉狀態(tài)，使得裂紋邊緣失穩(wěn)或內(nèi)壓鼓出減輕，從而使應(yīng)力強度因子降低。壓力容器的設(shè)計準(zhǔn)則 含裂紋壓力容器有兩種

11、失效模式： 脆斷穿透前到達臨界尺寸斷裂韌性控制 斷裂前滲漏穿透前未到臨界尺寸強度控制 為了減小壓力容器危害性，在高壓狀態(tài)下工作的容器一般根據(jù)“斷裂前滲漏”準(zhǔn)則設(shè)計。Irwin的的“破裂前滲漏破裂前滲漏”準(zhǔn)則準(zhǔn)則 設(shè)計應(yīng)力水平下的臨界裂紋尺寸大于容器的壁厚，即表面裂紋穿透壁厚而等于兩倍壁厚的穿透裂紋時，此時臨界載荷恰好等于設(shè)計的名義應(yīng)力，則裂紋仍是穩(wěn)定的。2ys2IC2ys24IC24 . 1BKBK 應(yīng)用此準(zhǔn)則結(jié)合強度準(zhǔn)則確定壁厚及選擇合適材料，以滿足屈服強度和斷裂韌度的要求。本講內(nèi)容本講內(nèi)容321加勁板結(jié)構(gòu)的斷裂分析加勁板結(jié)構(gòu)的斷裂分析焊接結(jié)構(gòu)中的斷裂問題焊接結(jié)構(gòu)中的斷裂問題殼體結(jié)構(gòu)斷裂特性

12、分析殼體結(jié)構(gòu)斷裂特性分析4提高結(jié)構(gòu)損傷容限特性的措施提高結(jié)構(gòu)損傷容限特性的措施焊接引起的后果焊接引起的后果Q 焊接高溫引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷焊接高溫引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷Q 結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力Q 焊接改變了原來結(jié)構(gòu)的金屬特性焊接改變了原來結(jié)構(gòu)的金屬特性焊接結(jié)構(gòu)要重點考慮的問題焊接結(jié)構(gòu)要重點考慮的問題 焊接部位經(jīng)常是裂紋萌生的危險部位焊接部位經(jīng)常是裂紋萌生的危險部位 焊縫附近區(qū)域材料力學(xué)性能的變化焊縫附近區(qū)域材料力學(xué)性能的變化 焊接引起的殘余應(yīng)力的影響焊接引起的殘余應(yīng)力的影響 溫度對焊接結(jié)構(gòu)的脆斷的影響溫度對焊接結(jié)構(gòu)的脆斷的影響本講內(nèi)容本講內(nèi)容321加勁板結(jié)構(gòu)的斷裂分析加勁

13、板結(jié)構(gòu)的斷裂分析焊接結(jié)構(gòu)中的斷裂問題焊接結(jié)構(gòu)中的斷裂問題殼體結(jié)構(gòu)斷裂特性分析殼體結(jié)構(gòu)斷裂特性分析4提高結(jié)構(gòu)損傷容限特性的措施提高結(jié)構(gòu)損傷容限特性的措施工藝措施 在結(jié)構(gòu)開孔及斷面突變的應(yīng)力集中部位，容易發(fā)生構(gòu)件的疲勞斷裂破壞。為了提高結(jié)構(gòu)件的抗疲勞/斷裂能力，常采用以下工藝措施： 結(jié)構(gòu)釘孔的擠壓強化； 零件表面的噴丸強化； 干涉配合；結(jié)構(gòu)釘孔的擠壓強化結(jié)構(gòu)釘孔的擠壓強化擠壓強化消除了機械劃傷和微觀裂紋等缺陷，產(chǎn)生了塑性變形和擠壓強化消除了機械劃傷和微觀裂紋等缺陷，產(chǎn)生了塑性變形和殘余壓應(yīng)力，降低了實際承受的應(yīng)力水平和裂紋擴展速率，提高殘余壓應(yīng)力，降低了實際承受的應(yīng)力水平和裂紋擴展速率，提高了結(jié)構(gòu)

14、的疲勞壽命。了結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。擠壓強化是利用硬質(zhì)擠壓強化是利用硬質(zhì)材料擠壓棒對已預(yù)加材料擠壓棒對已預(yù)加工孔的內(nèi)表面施加壓工孔的內(nèi)表面施加壓力，以光整和強化孔力，以光整和強化孔的內(nèi)表面。的內(nèi)表面。零件表面的噴丸強化零件表面的噴丸強化噴丸強化在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生噴丸強化在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生“循環(huán)應(yīng)變層循環(huán)應(yīng)變層”，該層內(nèi)產(chǎn)生組織變化和，該層內(nèi)產(chǎn)生組織變化和殘余壓應(yīng)力，改善零件表面的完整性，從而提高疲勞斷裂和應(yīng)力殘余壓應(yīng)力，改善零件表面的完整性，從而提高疲勞斷裂和應(yīng)力腐蝕斷裂抗力。腐蝕斷裂抗力。噴丸強化噴丸強化是以高是以高速彈丸噴射金屬速彈丸噴射金屬表面，使表面金表面，使表面金屬發(fā)生塑性變形。屬發(fā)生塑性變形。采用采用干涉配合干涉配合 連接件和孔之間采用干涉配合，使孔周圍產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。高連接件和孔之間采用干涉配合，使孔周圍產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。高干涉配合情況，平均應(yīng)力降低，應(yīng)力幅值降低，提高結(jié)構(gòu)疲勞干涉配合情況，平均應(yīng)力降低，應(yīng)力幅值降低，提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命有益。壽命有益。設(shè)計措施改善損傷容限特性設(shè)計措施改善損傷容限特性初步設(shè)計階段的損傷容限設(shè)計考慮Q 有效的結(jié)構(gòu)布局 傳力路線不宜過于集中 部件連接時交點不宜太少 合理配置加勁板結(jié)構(gòu)參數(shù)Q 結(jié)構(gòu)材料