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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:劉家勤
研究生(外文):Kah-Khan Liew
論文名稱:非均勻應力分佈在鋼板中之疲勞裂縫進展行為探討
論文名稱(外文):Propagation Characteristics of Thickness-Through-Cracks in Irregular Stress Distribution Fields
指導教授:林忠宏林忠宏引用關係
指導教授(外文):Chung-Hung Lin
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:造船及船舶機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:75
中文關鍵詞:應力強度因子有限元素分析非均勻應力分佈巴里定律疲勞裂縫進展裂縫開口荷重
外文關鍵詞:Finite element AnalsysStress Intensity Factorclosure loadsirregular stress distributionfatigue crack propagationParis’law
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摘 要

本文應用實驗及數值解析的方法來檢討,鋼板因為表面開槽而引發斷面上的應力分佈不均勻狀況下,其疲勞裂縫進展的行為。主要目的在於釐清此形狀鋼板的疲勞裂縫進展行為與母材間的差異,並對於含有凹槽或凸槽之鋼板提供一個預測疲勞裂縫進展速度的方法。

首先對於含有不同凹槽半徑及凸槽之鋼板進行疲勞實驗,求出在相同荷重作用下之疲勞壽命、a-N曲線與da/dN- K曲線,分析疲勞裂縫在不同凹槽或凸槽狀況下進展的實際情形。在實驗過程中,適當的導入beach mark,藉此觀察疲勞裂縫進展過程中,裂縫尖端在試片厚度方向所顯現的形狀。對於含不同凹槽半徑及凸槽之鋼板,其疲勞進展速度不同的原因,在將量測得到的開口荷重加入考慮後可以得到合理的解釋。

此外,本文利用有限元素計算套裝軟體ANSYS.Code5.5,根據實驗條件計算各組模型的應力分佈,並配合破壞力學進行裂縫尖端塑性區域的計算,作為預估模式的基本數據。最後,根據實驗數據及有限元素法模擬分析結果,利用斷面上的塑性區域分佈情形來解釋不同凹槽半徑及凸槽之鋼板其開口荷重不同的原因。

最後利用Wheeler遲滯模型之觀念,建立一個可預測裂縫進展壽命之模式,作為往後預測貫穿裂縫在此類型鋼板之進展速度的依據。
ABSTRACT

The propagating characteristics of thickness-through-cracks in irregular stress distribution fields are discussed in the present paper. Three kinds of specimen having different size of defects on the both surfaces or steel sheets are designed (hereafter referred or as “defective specimen”) to produce irregular stress distribution fields. Using defective specimens and common CCT specimens (referred to as “flat specimen”) fatigue crack propagating tests were carried out.

During the tests, crack growth fates and closure load were measured, and the beach marks used to record the shape of crack tip were introduced. For an analysis purpose, stress distribution and plastic zone of defective specimens are calculated be finite element analysis.

As the results, although all of the specimens are subjected to the same cyclic loading, defective specimens have higher closure loads and longer fatigue propagation life than that of flat specimens. Taking the closure loads into account and using effective stress intensity range, , to assess the propagation life, a precise prediction can be obtained. Also, the shape of beach marks obtained from defective specimens differs from that of flat specimen and is highly stress distribution dependent.

Finally, an approach to estimate the growth rate of thickness-through-cracks in irregular stress distribution fields is proposed.
目 錄

目錄…………………………………………………….I
圖目錄………………………………………………..III
表目錄………………………………………………..VI
符號說明…………………………………………….VII
第一章 緒論……………………………………………………...…1
1.1研究動機與研究目的…………………………………………….1
1.2研究方法及步驟………………………………………………….2
1.3 本文架構…………………………………………………………4
第二章 相關文獻與理論之回顧…………..…………………5
2.1應力強度因子…………………………………………………….5
2.2疲勞裂縫進展模式……………………………………………...9
2.3疲勞裂縫尖端閉合理論……………………………………...….11
2.4 Wheeler遲滯模型……………………………………………….13
2.5平面應力與平面應變下之裂縫進展……………………………15
2.6 應力集中係數(Stress Concentration Factor)……………………17
第三章 疲勞實驗系統與實驗結果………………………18
3.1實驗之材料性質…………………………………………………18
3.2 試片設計與規格………………………………………………..18
3.3 實驗之設備與方法……………………………………………..23
3.4 疲勞實結果之a-N曲線與 曲線…………………25
3.5 開口荷重之量測方法與結果…………………………………...31
3.6 …………………………..……………………..36
3.7 a-N曲線之預測結果…………………………………………38
3.8 實驗結果之檢討……………………………………………….41
3.9 Beach mark之導入與結果……………………………………43
第四章 有限元素模擬……………………………………....46
4.1 2-D模型-應力分佈之模擬與結果…………………………..46
4.2 3-D模型-塑性區域之模擬與結果…………………………..53
4.3 模擬分析與Beach Mark之討論…………………….………..65
第五章 裂縫進展速度之預測模式……………………..66
第六章 結論…………………………………………73
參考文獻………………………………………………74
參考文獻

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