带放射形槽的轴对称金属薄壳的工程应用对象为反拱带槽型爆破片,其整体结构为轴对称薄壳,在拱面上有由中心附近为起点的放射形十字减弱槽,能在压力超压时准确起爆,起到卸放压力并保护设备的作用,且爆破后无碎片产生,不存在火灾隐患,在化工和电力行业被广泛使用。该结构在实际使用时,除了可在接近自身失稳极限的较高应力水平下工作外,还常常在压力波动较为频繁的场合工作。在此种情况下,结构有可能在工作压力未达到爆破压力时发生疲劳而提前爆破。这对化工和电力行业的连续运作来说无疑是个巨大的隐患。因此,全面深入地研究此种结构疲劳损伤机理,通过试验方法得出其疲劳性能曲线,既有重要的理论意义,又有重大的应用价值和经济效益。 本文在综述国内外疲劳研究发展概况的基础上,采用宏观与微观相结合,试验研究与理论分析相结合的方法,对均匀压力下缺口结构的疲劳失效机理和疲劳性能进行了深入的研究。 1.对起拱直径160mm、常温失稳压力0.9MPa、具有固定十字槽结构的轴对称反拱形试样,进行室温下静态应力测定试验,以获得定载荷下其内应力分布概况。测定结果表明槽根部应力集中严重,应力集中系数可达2以上,槽两侧应力梯度较大,环向应力值大于经向应力值。 2.运用有限元软件计算结构在加载过程中的应力、应变、位移值。计算结果表明槽内部环向应力值大于其它任何部位、任一向的应力值。当载荷仅为0.6MPa时,槽根部的环向应力绝对值的最大值为202MPa,已超过材料本身的屈服极限。这表明结构在实际使用过程中会产生疲劳累积损伤。 3.取5个应力级,对该结构进行疲劳寿命测定试验,做出了疲劳失效曲线。同时进行定点动态应力测定试验,以得到疲劳时的应力—应变关系。试验结果表明,0.1—0.87MPa载荷幅下的中值疲劳寿命仅为7359次,99.9%可靠度下的疲劳寿命安全估计值仅为3835次。随着应力幅的提高,疲劳寿命降低,疲劳寿命分散性增加。 4.在对疲劳失效结构进行微观断口分析的基础上,结合结构自身的应力分布特点和疲劳时的应力—应变关系,在现有疲劳失效理论的基础上进行分析,得出其在剪应力作用下萌生剪切微裂纹,卸载时应力-应变非线性变化引起的残余拉伸应力促使微裂纹彼此相互连接并聚合,当裂纹扩展到某一尺寸,结构发生疲劳失效的压疲劳失效机理。