仿宋代哥窑裂纹釉的探究.docVIP

仿宋代哥窑裂纹釉的研究 1、相关定义 1.1、定义三维裂纹 本文利用 1/4 点位移法,通过在裂纹前缘设置奇异单元来模拟裂纹前缘应力应变场的奇异 性,直接从裂纹前缘单元边界 1/4 点位移计算出三维裂纹的应力强度因子。具体过程如下: 在 interaction 模块中先预制裂缝(assign seam),然后创建裂纹,类型选择 Contour integral, 用向量 q 定义裂纹扩展方向,最后定义奇异性,如图 5.9 所示。 图 5.8 含三维裂纹的货叉几何模型 图 5.9 裂纹奇异性的定义 1.2、坐标系的定义 计算中,选取笛卡儿坐标系,坐标原点定义在薄板边沿的裂纹尖端处,如 图 2.1。x 轴沿宽度方向,y 轴沿高度方向,z 轴沿厚度方向,x 和 y 轴都垂直于 裂纹前沿而 z 轴与裂纹前沿方向一致。 x y W H B a z σy σy Z x y σxx σyy r θ σzz (a) (b) 图 2.1(a)含边沿穿透型直裂纹薄板的几何模型 (b)笛卡尔坐标系的建立 10 1.3、应力集中系数的定义 应力集中系数是描述物体内应力集中程度的一个重要参量,定义为: Kt=σyy / σ net (3.1) 其中 σnet=σyW/(W-2r),σy是施加在板端部的均匀拉伸应力,如图 3.2(a)所示。 σyy为圆孔应力集中处的张开应力,如图 3.2(b)所示。本文主要研究 x=r,y=0 处 的应力集中系数,由于应力集中系数沿板的厚度方向是一个变化的值,这里定 义最大应力集中系数为(Kt)max,表面的应力集中系数为(Kt)surf,对应的二维平面 应力解表示为(Kt)p-σ。 x y σy σo x σyy σy σo x σyy σy x y σo (a) (b) (c) (d) 图 3.3 叠加原理示意图 根据线弹性叠加原理,本问题(图 3.3(a))x=r,y=0 处的应力场可表示为 (()() ) 2 ()1 2 (σyy)a=1σyyb=σyyc + σyy d (3.2) 通过式子可以看出分别把图 3.3(c)和图 3.3(d)中的应力值求出,就可以得到 图 3.3(a)中铆钉孔边沿 x=r,y=0 处的应力集中系数,再通过式 Kt=σyy/σnet就可以 求得应力集中系数。本问题的求解转化为分别求解图 3.3(c)和(d)两个问题,其中 已有大量文献报道了图3.3(c)中的远端受均匀拉伸应力的圆孔板的三维应力集中 解[64]。 23 2、相关背景 2.1、工程背景 空、航天、机械、超导、核能、智能材料等新技术领域, 铁磁材料磁场下的力磁耦合问题受到越来越多的关注。例如主要材料为铁磁钢的 核反应堆结构的力磁变形可靠性,以及由于应力集中产生疲劳损伤和腐蚀缺陷, 从而容易造成事故隐患的锅炉、压力容器、承压管道、电站设备、桥梁、铁轨、 气轮机叶片等其它特种设备和构件的安全运行,亦涉及力磁耦合问题的研究,这 些都将直接影响国家经济的正常运行和人民生命财产的安全。随着科学技术发 展,由于许多新型的铁磁功能材料,如稀土超磁致伸缩功能材料,磁致伸缩复合 材料等,具有许多优越性能,在工程中具有很大的应用潜力,因此研究这类材料 的力磁耦合行为将极大地促进它们投入实际的工程生产应用中[1~3]。 进入高科技时代以来,随着动力机械的发展和高压容器的出现,现代工业重 要产品正向着”高温、高压、高速、高应力”的方向发展,人们对工业产品及新 型材料的安全性和有效性、产品内在缺陷都提出了精确的要求,这使我们必须有 一种快速、准确的诊断技术,发现工业产品的缺陷。采用无损检测方法,对这些 设备进行质量鉴别、工作安全性和寿命评价,防止事故发生,具有重大社会和经 济效益。由于大多数的工业产品都是由铁磁材料制成,工业设备结构及焊接过程 具有复杂性,现在的生产工艺水平还不能保证零件没有裂纹或类裂纹,所以在制 造和使用过程中不可避免的会产生微观裂纹和应力集中。应力和缺陷之间存在着 紧密的联系,在应力集中区域,裂纹、腐蚀、疲劳和蠕变过程的发展最为剧烈;在 微观缺陷区域,也往往存在较大的应力集中现象。例如零件在焊接、冷加工、淬 火及装配的过程中都有可能产生裂纹。即使零件中过去没有宏观尺寸的裂纹,其 内部的微观缺陷(如夹杂、微孔、晶界、相间、位错群等)也会在外加应力的作 用下,尤其在疲劳载荷和腐蚀性介质的作用下发展成为宏观的裂纹[3~5]。金属磁 记忆检测是一种新的无损检测方法,它利用受载铁磁构件的磁记忆信号可以确定 在被测对象上以应力集中为特征的危险部位,从而被认为是迄今为止,唯一能够 对铁磁部件的损伤进行早期诊断的无损检测方法[6]。 一般钢制工程零部件或结构以及其他具铁磁性的结构,根据铁磁学基本原理, 北京工业大学工学硕士学位论文