【摘 要】
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疲劳裂纹扩展速率作为材料的断裂力学性能之一,对准确评估构件剩余寿命具有重要意义。目前,Paris公式是工程实际中应用最为广泛的疲劳裂纹扩展速率模型,但其不能很好描述复杂载荷下的应力比效应和过载延迟等现象,究其本质是因为Paris公式是基于材料是线弹性的假设建立起来的,而实际上裂纹尖端应力集中产生的局部塑性区对裂纹扩展有着较为复杂的影响。为了更深入地探究材料裂纹扩展的机理,以及更准确地进行结构的损伤
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疲劳裂纹扩展速率作为材料的断裂力学性能之一,对准确评估构件剩余寿命具有重要意义。目前,Paris公式是工程实际中应用最为广泛的疲劳裂纹扩展速率模型,但其不能很好描述复杂载荷下的应力比效应和过载延迟等现象,究其本质是因为Paris公式是基于材料是线弹性的假设建立起来的,而实际上裂纹尖端应力集中产生的局部塑性区对裂纹扩展有着较为复杂的影响。为了更深入地探究材料裂纹扩展的机理,以及更准确地进行结构的损伤容限评估,基于弹塑性力学进行疲劳裂纹扩展过程研究是发展的必然趋势。本文结合试验研究、理论分析与计算机仿真技术,基于弹塑性力学对铝合金材料的疲劳裂纹扩展过程进行研究,主要内容包括:（1）铝合金弹塑性力学仿真模型的研究。设计了 DIC静力拉伸试验,得到铝合金试样在不同载荷下裂纹尖端的应变分布数据,通过与有限元仿真结果的对比分析,确定了铝合金材料合理的弹塑性力学参数,对于7N01铝合金采用280Mpa作为塑性屈服点比309Mpa更合理,并验证了弹塑性有限元模型的正确性。（2）设计了 DIC常幅裂纹扩展试验和不同过载下的疲劳裂纹扩展试验,建立了不同裂纹长度下的弹塑性有限元模型,实现了常幅加载下的裂纹扩展过程的模拟。提出了在裂纹面间插入内聚单元并绑定节点的方法,实现了过载前后裂纹扩展过程的模拟。（3）基于弹塑性增量塑性理论,结合试验和计算机仿真方法,研究建立基于弹塑性力学的裂纹扩展速率的模型,通过与基于线弹性力学的裂纹扩展速率曲线比较,依据增量塑性Jep积分建立的裂纹扩展速率曲线很好地描述材料断裂力学性能特征,验证了增量ΔJep积分作为常幅作用下裂纹扩展驱动力参量的合理性。（4）通过与常规仿真方法和本文提出的过载前后裂纹扩展模拟的仿真方法得到的裂纹扩展速率曲线的比较,验证了 ΔJact作为过载后裂纹扩展驱动力的合理性,给出了基于ΔJact的理论模型。并基于7N01铝合金试验数据提出了一种简单归一化模型和过载延迟模型,考虑了应力比和过载比对裂纹扩展速率的影响,适用于工程实际中估算材料的疲劳裂纹扩展寿命。
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