低周疲劳下考虑累积塑性应变的裂纹板裂纹闭合效应研究

裂纹闭合效应发生在裂纹扩展过程中,影响着裂纹扩展速率,同时在裂纹尖端附近区域塑性应变的累积对诱发裂纹闭合效应以及结构破坏起着重大作用.为了研究裂纹扩展中复杂的闭合机理,以试验与数值模拟为基础,考察了裂纹闭合效应及其与累积塑性应变的关系,着重探究了应力比、循环次数、裂纹长度等相关因素的影响.研究结果表明,裂纹闭合水平与累积塑性应变及形成的塑性尾迹区之间存在着交互式的影响,且裂尖塑性应变的演化与尾迹区残余压应力场的关系能很好地反映裂纹闭合水平的变化过程,这为进一步研究低周疲劳裂纹闭合效应的复杂机理提供了新的途径.     

齿根初始裂纹倾角对圆柱齿轮疲劳寿命的影响

用有限元方法模拟圆柱齿轮齿根处疲劳裂纹的扩展过程.分析齿轮中疲劳裂纹的扩展路径和扩展形貌,依此设定合适的寿命积分路径,对齿轮的疲劳寿命进行预测,分析初始裂纹倾角对齿轮中疲劳裂纹的扩展形貌以及齿轮疲劳寿命的影响.结果表明:萌生于齿根处的疲劳裂纹,在齿廓面上朝着齿顶方向倾斜扩展,在齿端面上,从一侧齿根以圆弧状的扩展路径朝着对侧齿根扩展;对于相同的初始裂纹深度,初始裂纹的倾角较大,齿轮易发生轮缘断裂,其疲劳寿命相对较长,相反,初始裂纹的倾角较小,齿轮易发生齿根断裂,其疲劳寿命相对较短.     

圆柱齿轮齿根三维裂纹扩展分析及寿命预测

基于线弹性断裂力学理论,建立含齿根初始裂纹的圆柱齿轮三维边界元模型,计算了裂纹前缘应力强度因子;对初始裂纹进行自动扩展分析,得到齿根裂纹的扩展轨迹及裂纹扩展寿命。在此基础上,研究了载荷大小、裂纹尺寸、裂纹位置及裂纹方向对裂纹扩展寿命的影响规律。结果表明,齿根裂纹以先慢后快的速率扩展,齿宽方向比齿厚方向易于扩展;随着载荷及初始裂纹尺寸的增大,裂纹扩展寿命逐渐减小,载荷对扩展寿命的影响很大,初始裂纹深度对扩展寿命的影响大于裂纹宽度;初始裂纹越靠近齿轮端面扩展寿命越长,初始裂纹方向为-30°左右时,裂纹扩展寿命最短。     

缺口敏感性对工件疲劳行为的影响

为解决不同半径孔的疲劳缺口因子对工件寿命影响行为的预测和评价,在线弹性断裂力学的基础上,采用分析的方法探索疲劳缺口的影响因素,提出了一个考虑裂纹闭合的方法,讨论了裂纹闭合在非扩展裂纹形成上的影响,得到了材料晶粒尺寸较大时的小裂纹生长率低,其时的裂纹闭合能使裂纹生长终止,也得到了疲劳缺口因子与应力集中之间的关系,特别是微小孔的疲劳缺口因子随裂纹闭合减小较明显.该结果便于对工件使用寿命进行预测.     

随机载荷作用下船舶结构疲劳裂纹扩展

基于船舶等工程结构物在服役过程中的受载历程是一个随机过程,提出了一个由应力比和裂纹尖端约束及塑性区尺寸为主要参数计算裂纹张开比来考虑载荷相互作用的疲劳裂纹扩展寿命计算模型.用该模型对几种谱载荷作用下疲劳实验结果进行了预测.预测结果和不考虑裂纹闭合的线性损伤模型及疲劳计算程序FASTRAN预测结果进行了比较,表明本模型能较好地预测谱载荷作用下的疲劳裂纹扩展.     

剪切型Beam Lattice模型及其在岩石翼裂纹扩展和贯通模拟中的应用

采用考虑剪切效应和Mohr-Coulomb失效准则的剪切型Beam Lattice(SBL)模型来模拟翼裂纹扩展和贯通过程中出现的次生裂纹.该模型采用随机多边形网格来反映材料的非均质性,在结果分析中应用裂纹扩展路径来区分张拉型和剪切型裂纹扩展.利用SBL模型对不同间距的初始裂纹进行模拟,并将模拟结果和实验观测结果进行比对.结果表明,SBL模型可以较为准确地模拟不同模式下的裂纹扩展和贯通路径.翼裂纹的扩展和贯通呈现阶段性,首先出现张拉型裂纹,当裂纹间距为10 mm时出现清晰的贯通裂纹,最后出现剪切型裂纹.裂纹的扩展进程在加载前中期保持稳定,而在加载末期时明显加快,出现不稳定扩展的现象.SBL模型中考虑更多的剪切效应会得到更多的剪切型裂纹.     

基于扩展有限元法的齿根裂纹扩展规律

探讨基于扩展有限元法的齿轮裂纹扩展计算方法,开展齿根初始裂纹扩展规律研究。借助Abaqus软件,分析齿根初始裂纹长度、方向和位置对裂纹扩展路径的影响规律,并与传统有限元法所得结果进行比较。研究结果表明:对于本文模型,齿根裂纹均为先朝深入轮缘的方向扩展,后朝向齿根位置扩展,总体呈现朝轮齿周向扩展至轮齿断裂的趋势;相对初始裂纹位置,其长度和方向对裂纹扩展路径的影响较小,不同长度和不同方向的初始裂纹的扩展路径没有显著差别;随着初始裂纹位置向齿顶趋近,裂纹扩展路径也整体向齿顶偏移;本文结果与传统有限元法所得结果基本一致,但仿真效率大大提高,为齿轮疲劳裂纹扩展及疲劳寿命的高效分析和精确预测提供一种新途径。     

基于衰减路径时变性的压力容器疲劳裂纹安全裕度研究

传统压力容器安全裕度表征模型未考虑裂纹扩展过程中的时变性，导致无法准确反映剩余安全裕度大小. 为此，本文基于速度积概念建立了大型压力容器剩余安全裕度模型. 裂纹扩展形式直接影响安全裕度判定，故运用Paris公式并考虑闭合效应得到裂纹扩展规律公式，并结合Newman和Raju数值计算应力强度因子的理论，得到了不同裂纹的深度和长度方向变化的关联函数. 以表面裂纹为例，通过关联函数模型得到安全衰减路径，然后计算了路径速度积安全裕度模型的表征变化，从寿命安全裕度角度评价了路径速度积安全裕度模型，结果表明，随着裂纹在不同速度下的扩展变化，其安全评价结果更符合实际安全裕度变化，并为工程应用提供新思路.     

冲击和非冲击疲劳载荷下过载对裂纹扩展的影响

对12CrNi3A 钢在冲击和非冲击疲劳栽荷下的过载裂纹扩展延迟效应研究表明:过载对随后裂纹扩展的影响不仅取决于过载力作用下的裂尖塑变,还取决于随后基载力作用下的裂尖塑变.过载对随后裂纹扩展的影响存在两个互为矛盾的方面:一是裂尖塑变损伤促进裂纹扩展;另一是产生残余压应力场和闭合效应延缓裂纹扩展,两方面共同作用结果才能最终决定对随后裂纹扩展的影响.实验结果还表明,冲击疲劳载荷下的过载延迟效应与过载力的冲击速度有关,相同条件下,冲击疲劳载荷下的延迟期 Nd 高于非冲击疲劳载荷;各种因素对过载延迟的影响程度在两种载荷制度下不相同.     

压剪复合应力强度因子和混凝土压剪断裂判据

含裂纹构件在压剪荷载作用下,裂纹面将闭合.本文在对裂纹前缘应力场的奇异性分析后,得出裂纹尖端只存在K_Ⅱ的结论.试验研究表明,混凝土在压剪情况下的破坏仍符合库仑-莫尔准则.因此,本文对压剪断裂提出了考虑裂纹面闭合和材料内摩擦双重影响的判据:在起裂时,是纯Ⅱ型扩展;其后是沿裂纹扩展方向剪断;并给出两个判据式.经8组单边裂纹压剪试样的试验验证,结果是令人满意的.     

含孔岩体破裂过程的无单元法数值模拟

根据岩体损伤程度对其渗透性和强度的影响,利用定义的损伤变量建立了应力-渗流-损伤的耦合分析模型.综合考虑应力、渗流、损伤之间的相互作用影响,模拟分析了含孔岩体在不同水压力作用下破裂的过程.分析表明,内水压力是促使裂纹扩展的一个重要因素,内水压力增加可以使原来停止扩展的裂纹重新扩展或者使原来闭合的裂纹重新张开,而且裂纹张开度的变化将导致裂纹内的渗流特性发生改变.     

地铁列车减速器直齿轮弯曲疲劳有限元分析与试验

为研究地铁列车减速器小齿轮齿根部受力情况及弯曲疲劳裂纹萌生的机理,通过建立齿轮副有限元模型,对齿轮啮合过程进行瞬态动力学分析,得到了齿轮啮合过程中齿根处的应力-时间历程进而对齿根弯曲疲劳行为进行了试验研究。瞬态动力学分析表明,小齿轮齿根处在啮合过程中受到脉动循环载荷的作用,最大拉应力出现在齿轮啮合至分度圆时;且齿根处最大主应力的方向为沿齿根切线方向。齿根弯曲疲劳试验结果表明,裂纹在齿根弧线的中间位置萌生,方向为齿根切线的垂直方向。结合有限元分析结果可发现,齿根处裂纹在最大拉应力幅值位置萌生,其扩展行为受最大拉应力的主导。为进一步优化齿轮的设计、制造工艺及材料的选择提供了依据。     

压应力对疲劳裂纹闭合的影响

采用Ｄｕｇｄａｌｅ－Ｂａｒｅｎｂｌａｔｔ模型分析了压缩载荷对疲劳裂纹闭合的影响。在裂纹张开载荷和闭合载荷的确定过程中运用了解析函数形式的奇异积分方程理论。分析和相应的数值计算表明：（１）压缩应力对疲劳裂纹闭合的影响程度取决于压缩应力幅值与材料屈服应力之比；（２）在疲劳裂纹扩展分析中考虑压缩应力的影响是必要的。     

基于动载荷谱的齿轮弯曲疲劳寿命预测

为了探讨齿轮弯曲疲劳寿命计算问题,将齿轮疲劳总寿命分为两个阶段,即疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命.通过ADAMS软件仿真实验齿轮的工作情况,使其接近真实状况,得到齿轮载荷谱.根据齿轮载荷谱,利用有限元ANSYS软件分析在齿轮齿根危险截面处的最大应力.采用断裂力学、雨流法和Miner疲劳损伤累积模型,对考虑动载荷情况下的齿轮弯曲疲劳寿命进行预测,推导了齿根裂纹萌生期和扩展期的疲劳寿命计算公式.在高频疲劳试验机上对算例齿轮进行了双齿脉动加载齿根弯曲疲劳寿命实验研究,理论计算结果与实验结果基本吻合,验证了本文理论分析的正确性.     

斜齿轮齿根处裂纹倾角对裂纹扩展特性的影响

以斜齿轮齿根裂纹为研究对象,讨论裂纹倾角对裂纹扩展特性的影响.以ABAQUS为平台,建立了啮合斜齿轮的有限元分析模型,并对裂纹尖端单元进行奇异化处理,分析裂纹倾角对裂纹扩展路径、应力强度因子和裂纹尖端位移的影响.研究结果表明:载荷作用力相同的情况下,裂纹向齿轮端面和齿宽方向扩展是不对称的;同一裂纹结构随着裂纹倾角的增加裂纹尖端的等效应力、位移和应力强度因子也相应发生变化;随着裂纹倾角的增大,应力强度因子KⅠ逐渐减小,应力强度因子KⅡ先增大后减小.     

沥青路面表面裂纹扩展机理研究

随着长寿命沥青路面概念的提出,沥青面层厚度的增加,表面裂纹取代反射裂缝成为沥青路面开裂破坏的主要形式.本文基于断裂力学理论,利用无网格伽辽金/有限元耦合方法,对沥青路面表面裂纹的扩展进行了数值模拟,通过对表面裂纹扩展过程中的应力强度因子变化规律和裂纹扩展路径的分析,以及面层、基层设计参数对裂纹扩展的影响的研究,探讨沥青路面表面裂纹扩展机理.结果显示,相对于不考虑行车荷载水平分量的情况,考虑行车荷载的水平分量时表面裂纹的扩展更不利,行车荷载水平分量会增大裂纹尖端的应力强度因子,并减短裂纹扩展的路径;裂纹扩展过程中,应力强度因子经历一个急剧增大——缓慢减小——缓慢增大——急剧增大的过程;随面层、基层厚度的增加,表面裂纹尖端的应力强度因子降低,随着面层模量的增大,表面裂纹尖端的应力强度因子增大;面层模量、基层模量对裂纹扩展路径的影响不大.     

受压固体的断裂力学分析及地震的力学机理

采用应变能密度断裂理论分析了固体受压时复合型裂纹的起裂、止裂的断裂力学机理，强调了裂纹闭合效应，同时考虑了裂纹面之间的磨擦作用．分析的结果与实验值吻合．提出一个简单模型对裂纹失稳扩展的止裂条件进行了分析．分析的结果定量地解释了“断裂硬化”模型．最后，用所得到的结果较好地解释了一些地震现象，对地震预报，尤其是强余震的预报进行了探讨     

XCQ16和20Mn2车轴用钢疲劳失效的微观机理

利用扫描电镜(SEM)对XCQ16和20Mn2两种车轴用钢疲劳断口和裂纹扩展断口进行分析,研究疲劳失效过程中的裂纹萌生及扩展机理.结果表明:裂纹均是从试样表面萌生,非金属夹杂和位错是主要的萌生机制;XCQ16钢在疲劳断口中部区的裂纹闭合效应大于20Mn2钢,裂纹扩展较慢;两者在裂纹扩展区的扩展机理不同,XCQ16钢属于塑性断裂,20Mn2钢属于解理断裂;在非金属夹杂上,XCQ16钢多含氧化物和硫化物的混合夹杂,20Mn2钢主要是氧化物夹杂,混合夹杂对材料的疲劳性能影响较小.     

在真空与大气环境下钢在近门坎区疲劳裂纹扩展行为

本文研究了不同热处理的2.25Cr-1Mo、SAE4135和改型9Cr-1Mo钢在真空和大气环境下的疲劳裂纹扩展和门坎值△Kth。由于环境不同,导致了疲劳裂纹扩展机制变化和裂纹闭合主导机制的改变。钢的化学成分与显微组织对闭合机制有显著的影响。由于在门坎值△Kth处的得以充分发育裂纹闭合效应,使降△K与升△K的da/dN～△K曲线不重合,这在近门坎区域是正常现象。     

LY12铝合金疲劳短裂纹扩展异常性的研究

本文证实了 LY12铝合金中物理短裂纹扩展异常性.实验指出,由于闭合效应,引起长、短疲劳裂纹尖端扩展驱动力的不同是造成扩展异常性的主要原因.认为采用有效应力强度因子幅△K_(eff)作为裂纹扩展驱动力是适宜的.本文还讨论 U 值(U=△K_(eff)/△K)的概念,以及 R 和△K 对 U 值的影响.