超声波引起固体微裂纹局部发热的理论计

基于微裂纹在超声波作用下的局部发热现象,已形成一种新型无损检测技术,即超声红外检测技术.然而,迄今为止,尚未建立有效的理论模型对其局部发热机制进行定量计算.文中从三维弹性动力学方程出发,基于罚函数及界面本构摩擦模型,以节点-单元法为接触搜索算法,采用有限元数值计算方法,模拟了一含有微裂纹平板中的波动传播过程,并计算了裂纹表面的摩擦生热.     

超声激励下超声刀微裂纹发热的有限元分析

超声手术刀具的疲劳问题突出。采用有限元法,对工作中的超声钛合金手术刀具表面的微裂纹进行动力学仿真,分析了缺陷处的动接触和发热问题。基于罚函数和界面本构摩擦模型,以平衡主控-从属接触算法和整体-局部接触搜索法为超声手术刀具建立瞬态动力学有限元模型。仿真结果定量地计算了裂纹附近瞬态温度场的分布,分析了裂纹两个面的相对动接触行为,解释了超声在裂纹处进行选择性加热的机理。     

基于改进BP神经网络的微裂纹漏磁定量识别

漏磁检测是铁磁材料常用的无损检测方法之一,定量识别是指通过检测到的漏磁信号识别裂纹的尺寸.采用主成分分析和优化神经网络相结合的建模方法,建立了微裂纹宽度与深度的预测模型.主成分分析去除了数据相关性,减小了输入样本维数,显著简化了网络结构;遗传算法优化的BP神经网络(GA-BP神经网络)可以有效地防止搜索过程中陷入局部最优解.通过基于磁偶极子模型的理论计算与人工刻槽微裂纹漏磁检测实验两种途径验证了该算法在微裂纹定量识别中的应用,为裂纹发展阶段的早期定量识别技术奠定了一定的基础.     

基于GA-BP神经网络的微裂纹漏磁定量识别技术

针对漏磁检测定量识别技术中识别的缺陷尺寸大多为1~10 mm的较大裂纹,与实际自然裂纹相差太大的问题,将基于遗传算法优化的BP神经网络（GA-BP）算法应用到微裂纹缺陷的漏磁定量识别中,使得漏磁检测定量识别缺陷的宽度、深度达到小于0.50 mm的微细裂纹,并通过基于磁偶极子模型的理论计算与漏磁检测实验两种方法构建了微裂纹（0.10~0.30 mm）缺陷样本库.由于在实际检测过程中存在干扰噪声的原因,实验数据的预测结果误差比理论计算数据预测结果明显偏大,最大为16.73%,但预测结果能够基本反映微裂纹缺陷的尺寸大小.      

与材料中的微裂纹有关的内耗和模量亏损

在微裂纹上下表面摩擦而产生能量损耗的假设下,计算出了与材料中的微裂纹有关的内耗和模量亏损的表达式.在低频和小裂纹近似下,内耗正比于裂纹线度的3次方,而模量亏损正比于裂纹线度的2次方,且它们都正比于裂纹的密度.根据这种定量关系,有可能用内耗和超声衰减及动态弹性模量测量来无损探测微裂纹的线度和密度.     

基于摩擦滑动的低应力区岩石变形记忆性机理

采用砂岩试样进行岩石记忆性物理实验,描述岩石变形记忆性的基本特征.在物理实验及力学基本原理的基础上,提出在低于微裂纹初始应力以下应力区,变形记忆性的机理为微裂纹和颗粒接触面的摩擦滑动.基于此机理,构建包含Hook体和圣韦南体的基本单元模型,用来模拟单微裂纹或颗粒接触面上的摩擦滑动,对基本单元进行分析.将基本单元组合构建含多接触面的理论模型,对含大量微裂纹及颗粒的岩石进行模拟.研究结果表明:岩石变形记忆性存在于低应力区域;力学模型中的应变差曲线特性与实验曲线特性相吻合,可产生变形记忆性,南此证明微裂纹及颗粒接触面的摩擦滑动可以产生岩石变形记忆性.     

含随机微裂纹的椭圆孔口应力分析

针对实际工程中广泛存在的孔洞边缘含有随机微裂纹的孔口应力分析问题建立了理论模型.利用微裂纹在小尺度下的局部保角性构造近似的复变函数,通过对微裂纹与宏观孔洞的尺度分离获得了不同尺度下椭圆孔口的应力场,并扩大了复变函数的应用范围.结果表明,通过近似的复变函数的构造和微裂纹与宏观孔洞的尺度分离,能够准确计算含微裂纹椭圆孔口的应力场和应力强度因子.当含随机微裂纹的椭圆孔洞所在平面承受竖向均布载荷时,椭圆长短轴的比值越大,应力强度因子的极值越大,且应力强度因子沿椭圆边缘的衰减速度越快;当椭圆长短轴的比值足够小时,微裂纹位置对应力强度因子的影响不大.     

DSCM测量铸铁裂纹尖端演化过程

基于梯度的搜索算法计算亚像素位移、基于位移场局部最小二乘拟合计算应变场.测量了铸铁预制裂纹三点弯曲梁裂纹尖端的演化过程,给出了试件加载过程中的全程荷载-位移曲线以及试件裂纹扩展的过程.由DSCM分析结果,给出了试件在不同加载阶段下裂纹尖端的位移场及应变场.     

基于裂纹扩展作用下的岩石损伤力学模型

在分析裂纹起裂与扩展规律基础上,考虑翼裂纹间的相互作用,提出了一种新的翼裂纹尖端I型应力强度因子计算模型.基于修正的翼裂纹扩展模型,考虑损伤演化对被激活微裂纹数目的影响,并结合宏-细观损伤定义之间的关系,建立了基于微裂纹扩展作用下的岩石损伤本构模型.最后,将理论模型曲线与试验曲线进行了比较分析.结果表明:修正的翼裂纹扩展模型不仅能够准确地预测翼裂纹的起裂角,而且能够准确地模拟从极短到很长的翼裂纹整个变化范围.基于裂纹扩展作用下的损伤模型能够连续地模拟不同围压下的应力-应变全过程曲线,而且能够较好地预测峰值强度.     

复合材料层板非线性全耦合分析

基于Ladeveze等人的复合材料损伤和塑性模型,在平面应力条件下,考虑了裂纹面之间摩擦滑动导致的摩擦塑性影响,对复合材料层板进行了多种非线性机制下的全耦合力学分析.对计算结果的分析表明,该理论与试验结果相符合.     

湿式铜基摩擦副局部接触对摩擦因数的影响

考虑金属的热衰退特性及温度、压力和摩滑速度对混合润滑油膜的影响,建立了湿式铜基摩擦副局部接触摩擦因数计算模型,研究了摩滑过程中湿式铜基摩擦副局部接触状态下摩擦因数的变化规律,并通过销-盘摩擦因数测量实验对摩擦因数计算模型进行了验证.研究结果表明:摩擦元件屈曲变形导致摩擦元件间摩擦状态发生变化,在局部接触条件下,接触区摩擦状态随温度升高可分为油膜主导阶段、微凸峰主导阶段、摩擦因数上升阶段和热衰退阶段4个阶段.其中,油膜主导阶段会随摩滑速度的减小而消失.干摩擦状态下,摩滑速度对摩擦因数影响较小.在混合润滑状态下,摩擦因数随摩滑速度增加而下降,且温度越小摩擦因数衰减越显著.局部接触区平均面压较小时,压力对摩擦因数影响较小,当压力超过100 MPa时,接触面压力开始对混合润滑中的油膜主导阶段产生影响,此时摩擦因数随压力升高而增大.      

考虑裂纹接触摩擦的逐点Lagrange乘子法

为了解决裂纹面可能发生的接触摩擦问题,精确求解裂纹尖端附近应力,提出了一种逐点Lagrange乘子法.将Lagrange乘子逐点转到局部坐标系下,采用Gauss-Seidel迭代法求解法向乘子和切向乘子,并在求解过程中对切向乘子的约束进行修正,待所有点的乘子求解完成后再将其变换到整体坐标系下迭代求解位移.与传统接触算法相比,该算法无需对总刚度阵求逆,降低了求解规模.利用该算法计算了压剪作用下中心裂纹板以及纯剪作用下中心界面裂纹板的应力强度因子,计算结果与已有文献结果吻合良好.随后考察了Comninou接触模型在远场纯剪作用下不同摩擦系数对位移场、接触区和裂尖附近应力场的影响,结果表明,接触对裂尖正应力影响较大,忽略裂纹面接触摩擦作用,应力强度因子可能被高估.     

基于局部处理的X射线图像裂纹缺陷自动检测

研究了X射线图像裂纹缺陷自动检测问题.首先根据裂纹缺陷特征及位置信息提取感兴趣区域,使检测到的缺陷区域准确地包含实际缺陷;然后提出了一种结合局部方差和局部直方图均衡化的图像增强方法,实现了图像的对比度增强,使裂纹缺陷肉眼可见;接着利用阈值分割和形态学方法对裂纹缺陷进行分割提取;最后根据裂纹缺陷的几何特征实现了裂纹缺陷的检测.实验结果表明:相比于仅利用局部方差或局部直方图均衡化对图像做一次对比度增强,此方法能有效增强缺陷特征,更利于缺陷检测.     

基于XFEM的微裂纹对主裂纹的影响机理

基于扩展有限元方法(XFEM)建立含微裂纹缺陷细观尺度下的局部区域主裂纹模型,分别研究微裂纹与主裂纹处于共线和偏置方向时微裂纹对主裂纹造成的影响.研究结果表明:微、主裂纹处于共线时,微裂纹对主裂纹裂尖应力强度因子的影响表现为距离越近作用效应越大,距离越远影响较小;而单边偏置的双微裂纹对主裂纹裂尖应力强度因子的影响随微裂纹相对主裂纹水平位置的变化呈现周期性波动,这种波动是由微裂纹对主裂纹的增强与屏蔽作用交替变化所导致;共线和偏置两种情况下,只有距离主裂纹裂尖较近的微裂纹才会对其造成较大影响,距离较远处的微裂纹对主裂纹裂尖应力强度因子影响较小.     

粗糙表面铁磁性棒材微裂纹检测与信号处理技术研究

为了克服微裂纹检测信号的重复性不能满足准确标定裂纹尺寸要求的缺陷,将测量所得微裂纹信号峰值视为带有噪声的连续峰值信号的采样值,利用小波变换在信号滤波上的优势对微裂纹峰值信号进行滤波后处理,由此确定被测裂纹的标准尺寸及其置信区间,从而使铁磁材料微裂纹检测技术从光洁表面向粗糙表面迈进了一步。     

直裂纹悬臂梁系统阻尼特性分析

以裂纹悬臂梁系统为研究对象,基于ANSYS软件采用梁单元、平面单元和接触单元,建立了一个直裂纹梁有限元模型.利用接触单元模拟裂纹的呼吸效应,并通过与文献测定的固有频率对比验证了模型的有效性.基于所提的模型,分析了冲击激励与正弦激励下,摩擦对系统振动特性的影响;在忽略摩擦的情况下,分析了系统阻尼比及固有频率随裂纹深度和裂纹位置的变化规律.研究结果表明:裂纹处的界面摩擦对系统振动影响不大,阻尼比在一定的程度上可以作为诊断裂纹程度的依据.     

含腐蚀坑结构损伤演化评估过程

基于有限元理论并结合局部应力应变法, 得到了确定尺寸腐蚀坑底部在疲劳载荷作用下产 生非扩展裂纹的萌生寿命值;采用断裂力学模型 通过求解数值积分和非线性方程,得到了微裂纹 扩展到极限尺寸的寿命值和等效裂纹的尺寸;采 用神经网络技术建立了腐蚀坑尺寸与等效裂纹尺 寸之间的非线性映射关系。     

摩擦型高强螺栓单面搭接连接微动疲劳裂纹寿命研究

摩擦型高强螺栓连接件在土木工程领域应用广泛,采用10组连接件疲劳试验结合有限元分析得到了其疲劳寿命及裂纹扩展路径.由于疲劳破坏本质上是裂纹萌生和扩展的结果,故将疲劳寿命分为裂纹萌生和扩展寿命两部分.基于螺栓连接件的裂纹扩展三维有限元模型,运用Python语言实现了初始裂纹的自动扩展,获得了疲劳裂纹扩展寿命.进而,基于有限元分析和疲劳寿命试验结果对萌生寿命FFD_(max)-N_i模型中的参数进行了识别.由此发展了一种基于裂纹扩展的高强螺栓连接件疲劳寿命预测方法,据此计算的总寿命分布于两倍误差分散带内,具有较好的精度.     

Ti6Al4V钛合金在粘着作用影响下微动磨损的微裂特征

采用SRV微动磨损试验机进行Ti6Al4V钛合金与摩擦副GCr15钢的微动磨损试验,通过分析摩擦系数曲线和截面形貌,探讨了Ti6Al4V钛合金在粘着作用影响下微裂纹的成核与扩展,并探讨了微动磨损的主要磨损机理.结果表明:Ti6Al4V钛合金的截面形貌中发现摩擦转化层(tribologically transformed structure,TTS),微裂纹在TTS中形成,裂纹中的疲劳剥落碎片有助于裂纹的开裂,微动磨损机理主要以疲劳脱层为主.     

基于局部特征点检测与匹配的微悬臂梁变形受力测量方法

提出了一种基于局部特征点检测与匹配的微悬臂梁变形受力测量方法.通过光学显微镜得到微悬臂梁变形前后的图像和基于放大的微悬臂梁表面的散斑纹理特征，在尺度空间中定位具有局部响应极值的LOG（Laplace of Gaussian)特征点，并在LOG特征点周围提取局部仿射不变封闭区域，其质心可以作为具有亚像素精度的特征点位置.由封闭区域构造仿射不变特征描述算子并进行特征点匹配，根据匹配点的位移信息进行悬臂梁弯曲挠度曲线拟合以描述微悬臂梁的弯曲变形，并采用最小二乘法计算悬臂梁受力大小与受力点.通过对实际的微悬臂梁变形图像实验，验证了所提方法的有效性.