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基于循环内聚力模型的15MnTi钢疲劳裂纹扩展能量耗散分析

摘要

15MnTi钢具有韧性高、耐磨性好、耐腐蚀和耐高温等优异的力学性能，在桥梁、

压力容器、船舶、车辆高负荷结构中应用广泛。机械结构的破坏失效多数由关键部位

发生疲劳断裂引起，制造、运输和服役期间由于不可避免的外界因素会导致构件产生

微小缺陷，并随着疲劳载荷作用不断发展，最终造成结构因疲劳而断裂失效，可能引

发不可估量的灾难事故，带来巨大的经济损失。疲劳裂纹扩展过程中必然存在着各种

形式能量之间的转化，明确其中的能量转化机制可以从本质上揭示疲劳裂纹扩展机理，

对于含裂纹结构的健康监测和剩余寿命评估等均有重要意义。本文通过裂纹扩展试验

确定了15MnTi钢的疲劳裂纹扩展参数，采用有限元软件ABAQUS和Fortran语言编译

的循环内聚力模型子程序，对15MnTi钢疲劳裂纹扩展过程中能量耗散进行研究，分析

了热对流和热辐射对裂纹扩展过程中能量耗散的影响，主要内容如下：

（1）通过疲劳裂纹扩展实验，得到在三个应力比下材料的a-N曲线，进一步在双

对数坐标系下拟合获取材料da/dN曲线函数，并最终给出15MnTi钢材料的疲劳裂纹扩

展Paris公式和应力强度因子门槛值。

（2）基于内聚力单元算法，采用Fortran语言编译了适用于15MnTi钢材料疲劳裂

纹扩展分析的ABAQUSUEL子程序，结合试验得到的材料疲劳裂纹扩展参数，对

15MnTi钢材料进行疲劳裂纹扩展分析。探讨了不同应力比下的单元刚度、裂纹尖端状

态演化过程、模型的损伤分布状态，对比疲劳裂纹扩展试验得到的疲劳裂纹扩展参数，

验证了应用循环内聚力模型分析疲劳裂纹扩展规律的可行性和准确性。

（3）采用ABAQUS位移-温度耦合分析方法将材料在循环载荷下的塑性能转化为

热能，并对有限元模型的温度场和能量耗散演化进行模拟和分析，给出了材料在循环

载荷下的温度场演化规律。结果表明，模型的整体塑性耗散能、每循环的塑性耗散能

与裂纹尖端应力强度因子范围为双对数线性关系；裂尖温升与裂纹扩展速率及应力强

度因子范围具有幂函数关系，基于此关系，可以实现对疲劳裂纹扩展速率的快速预测。

（4）考虑周围环境影响，采用温降法分析得到了不同对流系数、表面辐射率下

15MnTi钢材料在疲劳裂纹扩展过程中的温度场和能量耗散，结果表明，对流和辐射对

疲劳裂纹扩展中的能量耗散有影响，不可忽略。

关键词：裂纹扩展；疲劳裂纹；循环内聚力模型；能量耗散；15MnTi钢

基于循环内聚力模型的15MnTi钢疲劳裂纹扩展能量耗散分析

Abstract

15MnTisteelhasexcellentmechanicalpropertiessuchashightoughness,goodwear

resistance,corrosionresistanceandhightemperatureresistance,andiswidelyusedinbridges,

pressurevessels,shipsandvehiclesinhigh-loadstructures.Mostofthefailureofmechanical

structureiscausedbyfatiguefractureinkeyparts,andduringmanufacturing,transportation

andservice,duetoinevitableexternalfactors,itwillcauseminordefectsincomponents,and

withthecontinuousdevelopmentoffatigueload,eventuallycausestructuralfractureandfailure

duetofatigue,whichmaycauseimmeasurabledisastersandbringhugeeconomiclosses.