NASGRO基础培训教程

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
® NASGRO 培训手册
&高级操作技巧
腾越飞扬 2015年1月
NASGRO培训手册
1
NASGRO® 历史
• 开发了NASA/FLAGRO,用于载人航天项目中的断裂控制分析 (1980年代早期) • NASA 断裂控制方法小组(Fracture Control Methodology Panel) 形成标准方法,用于指导和监控NASA/FLAGRO的开发(1985) • NASA 跨行业工作组(Interagency Working Group,包括NASA、 DoD、FAA、ESA、工业用户等)成立,为NASA/FLAGRO开发提 供进一步指导(1993) • NASA/FLAGRO V2.0 发布(1994) • NASA、FAA、USAF等为老龄飞行器提供额外支持(1990s) • 重大改进的NASGRO V3.0发布,作为公共程序通过NASA Form 1676在约翰逊航天中心网站上公开发布(1999)
4
NASGRO培训手册
当前用户联盟成员 (2013-2016 )
Airbus Agusta Westland Alcoa Boeing Bombardier Aerospace Embraer GKN Aerospace Engine Systems • Honda Aircraft Engine R&D • Honeywell • IHI Corporation • • • • • • • • Israel Aerospace Industries • Lockheed Martin • Mitsubishi Aircraft Corporation • Mitsubishi Heavy Industries • Siemens Energy • Sikorsky • SpaceX • Spirit Aero Systems • United Launch Alliance • UTC Aerospace Systems
NASGRO培训手册
10
裂纹类型
按照载荷类型对裂纹分类:
• Mode I (I型)
– 张开型裂纹
• Mode II(II型)
– 滑开型裂纹
• Mode III(III型)
– 撕开型裂纹
• I 型即张开型裂纹最常见,也最危险
NASGRO培训手册
11
裂纹尖端的弹性应力
• 对于2D,I 型裂纹 (Westergaard, 1939)
• • • •
NASGRO培训手册
这些公式仅在裂纹尖端附近有效 注意的r-1/2的奇异性:当r→0时,������ → ∞ K就是“应力强度因子”,也写作 SIF 对于平面应力:K= ������������
������������ = ������ 平面应力 ; = ������(������������ + ������������)(平面应变)
22
• ΔK-da/dN是线性的
平均应力效应
• FCG速率通常随着 平均应力的增加 (R增加)而增大 •
������������������������ R= ������������������������

������������������������ ������������������������
9
• 疲劳裂纹扩展
NASGRO培训手册
能量法
• 当生成新的裂纹表面 所需的能量小于裂纹 扩展释放的应变能, 则裂纹扩展便失稳 (Griffith, 1920) • 裂纹扩展的驱动力是 “能量释放率” (Irwin, 1949)
������������������ ������������������������ ������ = = ������ ������������
– 大裂纹 – 韧性较好材料 – 约束较小裂纹结构
• 因此,需要按照临界K和NSY两种准则检验结 构是否失效来自百度文库
NASGRO培训手册
18
LEFM设计方法总结
断裂韧度 材料物性
������������ = ������ ������������ ������������������
应力强度因子 几何结构 作用载荷 裂纹尺寸
NASGRO培训手册
2
NASGRO® 历史
• 西南研究院(SwRI®)在NASGRO后续的开发和支持中起了 领导作用(2000) • NASA与SwRI签署太空行动协议(Space Act Agreement ), 对NASGRO进行联合开发(2000) • 第一届NASGRO工业用户联盟由SwRI组织成立(2001) • NASGRO 4.0 (2002); 4.1 (2003); 4.2 (2004) • NASGRO 5.0 (2006); 5.1 (2007); 5.2 (2008) • NASGRO 6.0 (2009); 6.1 (2010); 6.2 (2011) • NASGRO 7.0 (2012); 7.1 (2014) • 最新版本请联系腾越飞扬(ty-flyond)
NASGRO培训手册
23
疲劳裂纹闭合
• 疲劳裂纹扩展会产生塑性拉伸后的残余变形;由于周围的弹性 约束,下一个拉伸载荷刚开始作用时裂纹仍旧会保持闭合 • 载荷循环中,只有裂纹尖端完全张开对应的那部分载荷在裂纹 扩展时有效 • “裂纹闭合”受应力振幅、应力比、应力作用历史和应力状态 (约束情况)等影响
NASGRO培训手册
20
描述疲劳裂纹扩展
• 疲劳裂纹扩展(FCG,Fatigue Crack Growth) 的驱动力用K的幅值(即幅度、范围)表示: ∆������ = ������∆������ ������������ • 疲劳裂纹的扩展 速率可以用每个 载荷循环的平均 扩展量表示, da/dN
NASGRO培训手册
16
断裂韧度
• 若作用的K超过某临界值,断裂发生
– 对于I型裂纹,平面应变下此值 具有最小值,即材料物性参数KIC
• 平面应变有效的条件: a和t ≥ 2.5
������������ 2 ������������������
– 平面应力下断裂韧度会更大(KC) – 裂纹几何对断裂韧度有影响 – 某些材料韧性太好,除非应力非 常大,它们一般不容易断裂破坏; 裂纹尖端的塑性区尤其大
• 若已知最大作用应力,我们可以计算临界(允 许的最大)裂纹尺寸 • 若已知最大裂纹尺寸,我们可以计算临界(允 许的最大)作用应力 • 若已知最大作用应力和裂纹尺寸,我们可以计 算临界(允许的材料最小)断裂韧度
NASGRO培训手册
19
疲劳裂纹扩展
• 载荷循环作用下,裂纹逐步扩展,从初始 尺寸到失效发生的最终尺寸
∆K th = ∆K th =
∗ ∆������1 = ∗ 1−R ∆K 1 1−f R ∗ 1−R ∆K 1 1−f R 1+RCth 1+RCm th
p
� 1 − A0 � 1 − A0
1−R Cth
p
p
∆������1 是当R→1时的应力强度因子阈值 Cth是描述不同R下阈值区曲线“扇形张开程度”的系数 Cth= 0 表示靠近阈值的曲线是平行的 Cth > 0 表示靠近阈值的曲线是扇形张开的 f 是Newman闭合公式,A0(不是a0)是闭合常数,两者皆是基于α=2、 Smax/σ0=0.3的情况
NASGRO培训手册
3
NASGRO® 历史
• • • • • • • • • NASA(所有中心) NASGRO 工业用户联盟成员 FAA(美国联邦航空管理局) NASGRO 商业用户 ESA(欧洲宇航局) NASA 断裂控制方法小组 NASGRO 跨行业工作组 NASGRO 大学合作伙伴 Southwest Research Institute®
NASGRO培训手册
7
一.疲劳裂纹扩展简介
NASGRO培训手册
8
本章大纲
• 线弹性断裂力学基础(LEFM)
– – – – – – – – – 能量法 载荷类型 裂纹尖端应力和应力强度因子 裂纹尖端屈服和约束 断裂韧度和失效准则 裂纹扩展的不同区域 疲劳裂纹扩展公式:Paris/NASGRO/Walker/表格法 计算疲劳裂纹扩展寿命 寿命设计准则
– –
1 ������������ 2 平面应力:������������ = 2������ ������������������ 1 ������������ 平面应变: ������������ = 6������ ������������������
• 对LEFM有效,ry << a, Wa(韧带)
• 此种情况下,LEFM不再合适, 应采用塑性断裂力学方法分析
NASGRO培训手册
17
净截面屈服(NSY) Net Section Yielding
• 除了作用的K超过断裂韧度,还有其它导致材 料发生失效的原因 • 由于韧带(剩余未断裂组织,类似净截面)的 屈服也可以导致失效 • 对于如下情况这种失效常见:
NASGRO 户用户联盟成员每 3年一轮换, 当前(2013-2016)是第 5届
NASGRO培训手册
5
课程概述
基础培训:
一.疲劳裂纹扩展简介 二.NASGRO基本操作步骤 三.NASGRO几何库概述 四.在NASFLA模块中确定材料参数 五.在NASFLA模块中输入载荷谱 六.运行程序并查看结果
• 应力强度因子还可以如下得到:
– 手册
• Rooke和Cartwright;Tada、Paris和Irwin;Murakami
– NASGRO®
• 80多种常用裂纹结构的K
NASGRO培训手册
14
裂纹尖端屈服
• 按照弹性理论裂纹尖端应力是无穷大
– 这超过塑性材料的屈服极限
• Irwin估算出裂纹尖端塑性区尺寸为
– “Small-Scale Yielding”(SSY) – 小范围屈服
15
NASGRO培训手册
平面应力和平面应变
• 断裂行为与“约束” 有关
– 较强约束会抑制塑性 变形
• 平面约束的两个极端:
– 平面应力(相对于厚 度塑性区尺寸较大) – 平面应变(相对于厚 度塑性区尺寸较小)
• 真实裂纹尖端行为是复杂的、三维的
NASGRO培训手册
24
疲劳裂纹扩展公式
• 最简单的FCG公式是 描述II区的Paris公式 (1963年) ������������ = ������ ∆������ ������ ������������ • C和n是由试验数据得 到的经验参数 • 典型的n值是2-4
NASGRO培训手册
25
NASGRO® FCG公式
NASGRO培训手册
6
课程概述
高级培训(:
注:为保持练习题与章节 八.载荷交互模型 的对应性,翻译本手册时 参照原文,没有加入介绍 九.失效准则(失效判据) 未来新版本功能展望的第 7章,保留章号空缺 一○.载荷谱生成和编辑 一一.小裂纹 一二.注意事 项 一三.用NASMAT模块处理材料参数 一四.更多案例
12
应力强度因子
• 应力强度因子K是如下参数的函数:
– 作用载荷或应力 – 裂纹尺寸和形状 – 带裂纹的结构的尺寸和形状
力 • 注意K的单位是: 长度
NASGRO培训手册
������
长度
,即ksi in 或MPa mm
13
如何获得K
• 可以按下面方法计算应力强度因子K:
– 解析算法 – 数值算法 – 组合多种修正系数
• NASGRO V4.0公式
靠近阈值的系数
������
������������ = ������ ������������
• •
应力比系数
1 − ������ ∆������ 1 − ������
靠近失稳区的系数
∆������ 1 − ������������ ∆������ ������ 1 − ������������������ ������������
������
������
f :基于裂纹闭合理论的应力比修正 系数,参见腾越飞扬(ty-flyond)资料 p、q 是描述靠近阈值(I 区)和失稳 区(III 区)曲线曲率的经验常数
NASGRO培训手册
26
NASGRO的FCG公式解释
NASGRO培训手册
27
NASGRO阈值公式
• NASGRO由R和裂纹尺寸来确定阈值:
NASGRO培训手册
21
金属材料的典型FCG表现
• FCG数据通常用的ΔKda/dN对数坐标表示 • 典型的3个区域:
• 扩展非常慢 • 低于ΔKth不扩展
– I区(靠近阈值即门槛 值区) – II区(稳定扩展)
– III区(靠近失稳区)
• 快速、不稳定扩展 • 在Kmax=Kc时断裂
NASGRO培训手册
相关文档
最新文档