输油管道表面裂纹初始扩展的研究

针对输油管道中检测出的表面裂纹提出了在测量沿着裂纹表面的开口方向位移分布的基础上,通过计算裂纹周围的应力分布,评价裂纹端部应力强度因子Kest的方法.通过有限元解析对不同深长比(c/a)的表面裂纹,对在各种载荷作用下的应力强度因子KFEM进行了评价.并与传统的Newman-Raju公式对同样裂纹计算的相应应力强度因子K进行了比较.其结果是KFEM与K的结果基本相同.说明了本评价方法的可靠性.通过实验研究了表面裂纹初始疲劳扩展过程中裂纹端部应力强度因子Kest,结果表明对实际输油管道中存在的表面裂纹,即使载荷、裂纹深度未知及裂纹周围有残余压缩应力存在的情况下,本文提出的应力强度因子的评价方法仍然有效.     

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.     

解理断裂前裂纹尖端变形与开裂的有限元模拟

对16MnR钢三点弯曲(3PB)裂纹试样进行了实验和有限元计算,模拟了裂尖开裂与钝化的构形和应力应变分布图.发现在临界载荷前,预裂纹尖端仅仅发生钝化;当载荷达到临界值时,开始有小裂纹起裂,随后钝化;再达到又一临界载荷时,小裂纹再次起裂,而后扩展,反复出现直至解理断裂发生.在模拟裂纹沿斜面起裂时,当小裂纹很短时,对对称面上的应力、应变和三向应力的分布影响比较小;只有小裂纹扩展到足够长并钝化到足够宽,才能够影响主裂纹的扩展及其前端应力、应变的分布.并针对采用有限元法在模拟裂纹扩展时所遇到的问题,探讨了模型的建立、网格的划分、断裂准则的应用以及网格重组技术的运用.     

固支裂纹梁在剪切载荷下的动态特性

用半解析方法分析固支裂纹梁在剪切载荷下的动态特性.该方法将半解析函数作为插值函数,将缺口(裂纹)尖端附近的自由度通过位移场的扩展公式转化为一组广义坐标.通过相似单元转化方法获得双裂纹固支梁在集中载荷和分布载荷作用下的动态应力强度因子,得到结构的前5阶自然模态.结果表明,虽然为剪切模型,但在动态载荷作用下,KⅠ和KⅡ同时存在,说明了动态载荷的应力波作用.     

飞机重要铆接角材的破损安全特性分析

本文用断裂力学和有限元方法分析了某机型零号框铆接角材的破损安全特性。通过计算角材裂纹尖端处应力强度因子,得到裂纹尖端的应力强度因子与裂纹长度、载荷的关系。裂纹越长,承受的裁荷越大,材料越容易断裂。载荷一裂纹长度曲线直观的给出了材料的安全区域。该结果有助于机务人员评估飞机的可靠性,增强飞行教员和学员对飞机的操纵性。     

基于变载荷间隔的MSD结构疲劳可靠性研究

多部位损伤(MSD)会使结构的强度大幅降低,为了防止由此造成的灾难性破坏,必须对MSD结构在整个寿命周期内的裂纹扩展情况及可靠性水平进行准确评估.文中在假设MSD结构断裂韧性和应力强度因子服从对数正态分布的基础上,结合应力强度干涉模型和二阶窄边界理论,建立了MSD结构的裂纹扩展可靠性模型;考虑MSD结构多裂纹扩展过程中的两类影响因素,推导了疲劳载荷作用下的裂纹扩展增量递推公式;结合变载荷间隔分段处理方法,提出了MSD结构随载荷循环次数变化的失效概率计算方法.通过对一受远场均匀载荷作用的含共线孔边裂纹的MSD壁板结构的分析计算,得到了MSD壁板结构失效概率随疲劳载荷作用次数的变化趋势,并将其与试验值进行比较,较为准确地反映了MSD壁板的失效趋势.     

残留压缩应力对倾斜裂纹变形的影响

对于具有中心孔的混合型条件下的裂纹,提出了用沿着裂纹的不连续变位量来直接计算裂纹的Ⅰ型和Ⅱ型应力扩大系数(KⅠ)mes和(KⅡ)mes的方法.在拉伸载荷的作用下,利用这种方法讨论了裂纹上下表面接触和裂纹周围存在的压缩残留应力对(KⅠ)mes和(KⅡ)mes产生的影响.其结果是,压缩残留应力的存在使(KⅠ)mes减小的同时,裂纹上下表面的相互接触使(KⅡ)mes下降.     

CFL加固受弯钢板中表面裂纹应力强度因子的数值分析

借助ANSYS建立了碳纤维薄板(CFL)加固钢板中半椭圆型三维表面裂纹的应力强度因子有限元计算模型,讨论了CFL厚度、裂纹形状比、裂纹面积对CFL加固受弯钢板中三维表面裂纹应力强度因子的影响.研究结果表明:CFL加固含裂纹的钢结构能够大幅度地降低裂纹的应力强度因子;应力强度因子的降低速率随CFL厚度的增加而减小;裂纹面积越大的表面裂纹,在CFL加固后其应力强度因子降低的幅度越大,加固效果越明显;对于含细长裂纹的受弯钢板,CFL正面加固的效果更为显著.     

基于等效初始缺陷尺寸和功率谱法的起重机疲劳寿命预测

基于Kitagawa-Takahashi图提出了一种计算起重机金属结构等效初始裂纹尺寸及其统计学分布的方法,此方法的优点在于只用到疲劳寿命极限和疲劳裂纹扩展门槛值,与随机变化的载荷应力无关.为计及载荷次序以及裂纹闭合效应对疲劳寿命的影响,基于载荷的功率谱密度,给出了一种频域分析的起重机疲劳寿命预测方法.为验证所提方法的有效性,将文中方法的预测结果与文献中的起重机箱形梁的疲劳实验结果进行对比,结果表明估算寿命与实验寿命吻合,文中方法具有实用性和可靠性.     

随机谱和程序谱及均方根载荷加载的裂纹扩展寿命研究

本文研究了随机谱加载、程序谱加载和均方根载荷加载的实验和疲劳裂纹扩展寿命估算.从实验和理论计算结果表明:对飞机谱载荷,程序谱加载,均方根载荷加载的疲劳裂纹扩展寿命皆比随机谱加载的寿命长.如果将程序谱的周期长度(一个程序周期的循环数)减50%,则所得的裂纹扩展寿命趋近于随机谱加载的寿命.     

铸造奥氏体不锈钢的疲劳裂纹扩展

用紧凑拉伸试样研究了载荷比、单峰过载和两步高-低幅加载对Z3CN20-09M铸造奥氏体不锈钢疲劳裂纹扩展速率的影响。当应力强度因子范围相同时,疲劳裂纹扩展速率随载荷比的增大而增大。单峰过载使裂纹扩展速率先有短暂的增加后长距离的减速扩展,出现裂纹扩展迟滞现象。两步高-低幅加载时,若两步的最大载荷不同,第二步裂纹扩展也会出现迟滞现象。用两参数模型和Wheeler模型能够预测恒幅载荷和变幅载荷下的疲劳裂纹扩展行为。     

中低速冲击载荷作用下SCT岩石试样Ⅰ型裂纹的动态扩展行为

为研究侧开单裂纹三角形(SCT)岩石试样的动态扩展行为和断裂韧度,采用落锤冲击实验系统进行动态加载,通过裂纹扩展计(CPG)得到裂纹的断裂时间和扩展速度;用有限差分软件AUTODYN进行数值模拟,验证实验结果的可靠性;将实验测量的载荷条件代入有限元软件ABAQUS建立的数值模型中,得到动态应力强度因子时程曲线,通过普适函数修正后,利用断裂时间得到动态断裂韧度。研究结果表明:SCT试件构型能够较好地应用于岩石动态扩展行为的研究;砂岩的扩展韧度与裂纹扩展速度呈负相关;数值模拟得到的裂纹扩展路径与实验结果基本一致,裂纹扩展速度不为常数;岩石裂纹动态扩展过程中可能存在止裂现象,止裂韧度大于扩展韧度,但与起裂韧度相差不大。     

平行偏置裂纹相互作用及其合并条件

裂纹之间的相互作用因其位置和方向的不同会引起应力场的相互增强或者相互减弱效应.运用FRANC2D软件,对单向拉伸载荷作用下含2条平行偏置裂纹的平板进行有限元分析,计算得到2条平行偏置裂纹在不同几何特征下的应力强度因子和应力变化图,再现了它们相互作用的应力场叠加规律,讨论了裂纹水平间距比(s/a2)、裂纹垂直间距比(h/a2)和裂纹长度比(a2/a1)对应力强度因子的影响以及2条裂纹之间的相互作用情况.结果表明:裂纹尖端内侧在s/a2=-1.4时所受的屏蔽效应最明显,h/a2对应力强度因子的影响因s/a2表现为3种不同的变化规律,且等大裂纹的相互作用最为显著.在此基础上验证了在用含缺陷压力容器安全评定(GB/T19624-2004)中关于非共面的两相邻穿透裂纹合并条件的适用性.     

用可靠性平均安全系数校核外压容器的稳定性

提出了采用可靠性平均安全系数进行外压容器的稳定性校核的方法,并在机械强度可靠性设计的基础上,建立了将呈非正态分布的变量转化为呈正态分布的变量模型,以获得可靠性安全系数.通过用此方法校核受各种载荷的外压容器,并将应力和强度的变化以及失效的不同后果考虑到设计中,比用稳定系数的常规设计方法更安全、更经济.     

随机结构系统综合考虑静强度、刚度和疲劳的多失效模式的可靠性分析

在结构系统使用过程中, 将可能出现多种失效形式, 例如静载失效、疲劳失效和刚度等失效形式. 根据疲劳载荷造成的随机裂纹对结构极限应力和截面模量的影响, 给出了结构构件在裂纹扩展下的构件剩余抗力的表达形式, 分析了结构系统中每一个单元在静载和疲劳载荷作用下的失效形式, 并考虑了各失效模式之间的相关性对该单元可靠性的影响. 具体分析了结构系统在静载和疲劳载荷作用下的失效机理以及各失效模式之间的相关性, 给出了在静载和疲劳载荷作用下结构系统的可靠性分析方法. 结合数值算例对结构系统进行了综合考虑静强度、刚度和疲劳的可靠性分析, 表明在不同的使用年限内, 结构系统失效概率是不同的, 静载和疲劳载荷对结构系统可靠性的影响也是不同的; 该方法比只考虑单一因素(或静强度、或疲劳、或刚度等)下的结构系统可靠性分析更符合结构系统使用的真实情况.     

旋叶式压缩机的气缸型线研究

根据旋叶式压缩机的工作原理，提出了气缸型线设计的基本原则。通过泄漏分析，设计出由密封圆弧、过渡曲线、主曲线所组成的气缸型线并推导出各段型线的通用方程。压缩机的吸气容积、内容积比等与主曲线的函数形式相关。以抛物线、椭圆、三次曲线以及三角函数为例的研究表明，三次曲线构成的气缸型线具有最大的吸气容积而内容积比最小，适用于大排气量低压比的机器；椭圆型线的吸气容积最小而内容积比最大，适用于小气量高压比的机器；三角函数型线介于两者之间；抛物线不适宜作为气缸型线。型线的最小曲率半径一般出现在过渡曲线段的拐点上，可通过改变曲线形式及扩大过渡曲线范围得到理想的最小曲率半径值，以利于机器的加工。     

包含△K和Kmax二参数的疲劳裂纹扩展模型

除了材料自身特性和环境因素外,疲劳裂纹扩展的方式取决于裂纹尖端附近的应力场.而该应力场由外加应力和残余应力组成,受到引起循环塑性区的应力强度因子变化幅度△K和产生单调塑性区的最大应力强度因子Kmax的共同影响.因此,驱动裂纹扩展的外部驱动力应该是△K和Kmax.通过比较Vasudevan和Sadananda,Kuiawski、张嘉振等人提出的3种典型的二参数疲劳裂纹扩展模型的特点,提出了一个兼顾内、外应力,适合变幅载荷下疲劳裂纹扩展的新模型.     

裂纹端约束效应的J-A2双参数分析

针对经过辐照的A533B压力容器钢,采用有限元方法对单边缺口弯曲和拉伸试样进行弹塑性数值计算.分析了在-60 ℃,-40 ℃,-20 ℃,浅裂纹试样和标准深裂纹试样在不同载荷情况下裂纹尖端区域的应力场.用J-A2双参数方法对裂纹端约束效应进行了计算.结果表明,在不同温度下试样裂纹前沿张开应力是自相似的.匹配点距裂纹尖端的距离、载荷水平对约束参数A2的影响不明显,A2是与裂纹体构形和载荷形式相关的主要约束参数.最后对单边缺口拉伸试样进行加载设计,用不同的偏心载荷来模拟各种载荷形式和约束水平,给出了偏心距e与约束参数A2的关系.由此,可以在实验室里模拟结构的约束,用试验结果预测实际结构的断裂行为.     

平行双裂纹应力强度因子的计算方法

为了快速、方便地估算多裂纹尖端的应力强度因子,以承受均匀拉伸载荷的含平行双裂纹的有限平板模型为研究对象,提出了一种基于裂纹最大张口位移量确定平行双裂纹尖端应力强度因子的新方法.该方法以单裂纹问题中最大张口位移与应力强度因子间的函数关系为基础,考虑了平行双裂纹的垂向、纵向裂纹间距比和裂纹长度比的影响,拟合出纵向间距比为0时不同裂纹长度比下与垂向间距比相关的修正系数表达式,并进一步分析了裂纹纵向间距比对双裂纹尖端应力强度因子的影响,最终建立了平行双裂纹应力强度因子的简便方法.     

钝化预裂纹尖端开裂对应力应变分布的影响

通过对16MnR钢三点弯曲(3PB)预裂纹试样进行实验和有限元计算,分析了裂纹尖端的断裂行为.结果表明,在载荷达到某一临界值时,微裂纹在裂尖处形核、扩展,随后又被钝化,随着载荷的增加,这一个过程一直重复着.在这一过程中,裂尖前端的塑性应变和三向应力度进行重新分布,并且两者达到临界值的位置都向裂尖靠近,随后又都向前移动,但三向应力度比塑性应变移动得快,这使得解理断裂的三个判据逐渐得到满足.