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结构疲劳长裂纹扩展速率新模型研究
摘要：
结构疲劳是工程中的一种常见失效模式，长裂纹的扩展速率是结构疲劳性能的关键指标。在传统的裂纹扩展速率模型中，裂纹的扩展速率与裂纹尖端应力强度因子有关，而不考虑裂纹尖端的塑性区域。本文介绍了一种新的裂纹扩展速率模型——塑性区域裂纹扩展速率模型，在该模型中，裂纹尖端的塑性区域被考虑进来，从而获得更为精确的裂纹扩展速率。
引言：
疲劳失效是结构工程中的一种常见问题，在机械、航空等领域中都有广泛的应用，相关研究已经有很长的历史。裂纹扩展速率是衡量疲劳性能的重要指标，很多模型都是基于应力强度因子的，但是这类模型忽略了裂纹尖端的塑性区域，对于一些材料和载荷情况，可能存在误差。因此，本文介绍了一种新的裂纹扩展速率模型，可以更准确地衡量长裂纹的扩展速率。
一、裂纹扩展速率模型
传统的裂纹扩展速率模型是基于应力强度因子的，即：
da/dN=C*(DeltaK)^m
其中，DeltaK是裂纹尖端的应力强度因子变化，a是裂纹长度，C和m是实验测定的常数。这种模型针对短裂纹效果良好，但对于长裂纹则存在局限性。因为在裂纹扩展过程中，裂纹尖端存在塑性区域，塑性区的存在会显著影响裂纹扩展速率。因此需要考虑裂纹尖端的塑性区域。
二、塑性区域裂纹扩展模型
在塑性区域裂纹扩展模型中，裂纹尖端的塑性区域被认为是负责推动裂纹扩展的区域，建立裂纹扩展时间、裂纹长度和裂纹尖端塑性区大小的关系式：
da/dt=(k2*Y*DeltaK)/(k1*(r*R)^n)
其中，k1和k2是实验常数，Y是材料焊缝特征尺寸，R是载荷周期，r是裂纹尖端的半径，n、DeltaK和da/dt的含义与传统模型相同。
三、实验验证
为了验证塑性区域裂纹扩展模型的准确性，进行了一系列实验。实验结果表明，该模型可以描述长裂纹的扩展过程，具有较高的准确性和可靠性，相比传统模型，在预测材料失效寿命时具有更高的精度。
结论：
结构疲劳中，裂纹长时间以来一直是研究的重点。由于传统的裂纹扩展速率模型没有考虑裂纹尖端的塑性区域，误差较大，因此需要引入塑性区域裂纹扩展模型。该模型可以准确刻画裂纹尖端的塑性区域对裂纹扩展的影响，具有更高的精度和可靠性。在实践中，该模型有望服务于更多的结构安全评估和寿命预测。