【摘 要】
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转轴、螺栓、螺杆及销钉等圆形截面工程构件（可抽象为圆柱体构件）在汽车和航空等领域中使用广泛。在拉扭复合疲劳加载下,圆柱体构件含有的表面裂纹会进一步发展,导致机械结构发生失效断裂,进而造成严重的安全事故和巨大的经济损失。本文基于断裂力学理论和有限元技术,提出疲劳空间斜向扩展圆法,以受拉扭复合疲劳载荷作用的含表面裂纹圆柱体构件为研究对象进行裂纹扩展分析,进而形成较为统一的理论分析专项体系。具体研究工作
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转轴、螺栓、螺杆及销钉等圆形截面工程构件（可抽象为圆柱体构件）在汽车和航空等领域中使用广泛。在拉扭复合疲劳加载下,圆柱体构件含有的表面裂纹会进一步发展,导致机械结构发生失效断裂,进而造成严重的安全事故和巨大的经济损失。本文基于断裂力学理论和有限元技术,提出疲劳空间斜向扩展圆法,以受拉扭复合疲劳载荷作用的含表面裂纹圆柱体构件为研究对象进行裂纹扩展分析,进而形成较为统一的理论分析专项体系。具体研究工作如下:（1）基于三维断裂理论对拉扭复合型圆柱体表面裂纹扩展进行探讨。着重研究复合曲线裂纹前沿特征的几何描述与裂纹形状演化的更新方式。通过引入等效偏转裂纹面,利用疲劳空间斜向扩展圆建立具有较少形状约束的瞬态三参数几何模型,并要求这些扩展圆同时与新预测等效裂纹和当前裂纹相切。（2）基于修正的Paris-Erdogan公式,逐个计算出每个裂纹离散样点扩展时的增距和方向角。裂纹前沿更新时,引入两种尺寸约束建立误差公式,通过迭代使误差达到极小值,从而得到各样点最佳扩展路径。（3）基于上述工作中的理论研究模型,利用Abaqus软件计算复合裂纹扩展沿当前前缘和新预测前沿的SIFs,引入等效最大能量释放率（35）Gma x来考虑KI、KI I和KIII的复合效应,完成复合裂纹前沿形状的更新,并对预测的裂纹扩展行为结果进行可视化处理,以便后续验证工作。（4）联合裂纹分析用的专用型软件Franc 3D对复合疲劳拉扭共载作用下的圆柱体三维表面裂纹的扩展规律进行仿真。将裂纹可视化处理结果分别与Franc 3D的数值结果和以往的实验数据及理论公式解进行对比分析,采用间接验证的方式考察本文提出的疲劳空间斜向扩展圆法的合理性。
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