弹塑性材料中裂纹的仿真研究

针对含裂纹的弹塑性材料结构,根据弹塑性断裂理论分析了裂纹增长的条件.建立了基于裂纹尖端存在塑性区的计算模型,得到了描述含裂纹弹塑性材料在外荷载作用下的塑性区尺寸及塑性区前端裂纹张开位移的解析解.按照所建立的计算模型对不同的裂纹长度、不同的外荷载对塑性区尺寸及张开位移的影响进行探讨.并给出了材料在外荷载作用下破坏的临界应力强度因子曲线.     

幂硬化对疲劳弹塑性弯曲裂纹塑性区的影响

利用二阶摄动方法计算硬化材料弹塑性弯曲裂纹尖端的塑性区尺寸的最大值和和变化幅值.作图分析弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸最大值、变化幅值与材料硬化指数之间的变化关系.在幂硬化材料中,弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸最大值和变化幅值随材料硬化指数n的增大而减少,当n等速均匀增加时,弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸最大值和变化幅值加速减少,减少的幅度越来越大.当材料的硬化指数相同时,弯曲裂纹尖端塑性区尺寸最大值和变化幅值随疲劳载荷的不断减小而逐渐减小.     

张开型粘(弹)塑性界面断裂

研究张开型粘弹塑性界面断裂。用富里叶正、余弦变换及逐段定积分变换方法将边值问题的控制方程化为奇异积分方程组。解方程后计算了裂纹尖端塑性区尺寸及裂纹尖端张开位移COD。结果表明 :裂纹尖端塑性区尺寸和COD均随两种材料的最小屈服极限的增加而减小 ;COD随时间的增大而以先快后慢的速率增长。     

紧凑拉伸试件的J积分函数解析表达式

对疲劳和断裂分析中的紧凑拉伸试件进行了弹塑性分析,分别建立起弹性状态和弹塑性状态(或塑性状态)下的J积分函数解析表达式,并用所建立的J积分函数估算了渤海石油平台用钢A537在常温下的疲劳裂纹扩展寿命.数值计算的结果和试验结果是吻合的.这说明所建立的J积分函数解析式不仅有效可靠,且足以用来解决疲劳寿命的估算问题.     

偏心裂纹板受剪应力作用下的弹塑性解析解

利用裂纹线场方法对岩石材料偏心裂纹板受剪应力作用时进行了弹塑性分析,并且获得了理论解.这个解包括:裂纹线附近弹塑性边界上的单位法向矢量,裂纹线附近的弹塑性解析解、最大塑性区长度、裂纹线上的塑性区长度随荷载的变化规律及其承载力.该分析不受小范围屈服假设的限制,并且不附加假设条件,其结果在裂纹线附近足够精确.     

压应力对裂尖塑性区影响的量化研究

为了量化压应力对裂尖反向塑性区尺寸的影响,填补压应力作用下裂尖塑性区尺寸估算的空白,基于理想弹塑性材料采用有限元数值计算方法,研究了含有中心穿透裂纹有限平板在拉压循环载荷作用下裂尖塑性区尺寸的变化规律,并分析了裂纹长度、应力比、时间历程等因素的影响;建立了压应力引起的裂尖最大反向塑性区尺寸的估算模型,提出了一种适用于R0拉压循环载荷作用的基于裂纹最大张口位移确定最大反向塑性区尺寸的简便方法.     

有限宽裂纹板受一对集中剪力时弹塑性解

针对运用断裂力学传统方法进行裂纹尖端的弹塑性应力场分析均为小范围塑性区的假定,不能准确反映塑性区应力情况的问题,利用裂纹线场分析方法,对理想弹塑性材料的有限宽平面板在裂纹面受到一对集中剪力作用时裂纹线附近的应力场及弹塑性边界进行了分析。不采用小范围塑性区的假设,直接通过将裂纹线附近弹塑性边界上弹性应力场与塑性应力场的匹配,获得了裂纹线附近弹塑性应力场的解析解以及弹塑性边界上单位法向量的表达式。用裂纹线分析方法可以准确地反映裂纹附近的弹塑性应力分布,该种方法的应用将成为断裂力学的一个重要发展方向,对石油天然气构造应力分析、材料力学分析具有参考价值。     

含随机裂纹结构的弹塑性断裂分析

压力容器的失效大多为弹塑性断裂失效,CEGBR6、PD6493、SAPV95等规范都采用J积分参量进行断裂评价.开展了裂纹尺寸为随机变量时的弹塑性断裂分析,讨论了弹塑性的随机平衡微分方程和J积分随机分析方法,推导了裂纹尺寸对[B]矩阵和[Dep]矩阵的影响.编制了弹塑性随机有限元程序,并采用数值方法进行了验证.结果表明,与Morte-carlo方法相比误差为1.05%.     

基于DP准则双排管冻结壁力学特性理论分析

为了分析深厚冲击层双排管冻结壁的强度和稳定性,将冻结壁的温度场等效为梯形分布。根据冻结壁力学性质与温度之间的线性关系,基于Druker-Prager准则,推导出冻结壁弹性区和塑性区的应力解析表达式;以及冻结壁外荷载与塑性区相对半径之间关系。计算结果表明:冻结壁的径向应力随相对半径r的增大而增加;冻结壁环向应力在区间Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ随相对半径r的变化呈现不同的变化规律;并且冻结壁塑性区的应力与外荷载大小无关,只与其所处位置有关。另外,针对工程实例,计算得到控制层位的冻结壁承受外荷载,远小于其塑性极限荷载,从而表明该矿井冻结壁是安全可靠的。     

疲劳荷载作用下的三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移

综合考虑疲劳作用应力、三维塑性区域边界上的交变正应力与交变剪应力,利用二阶摄动方法建立了计算疲劳载荷作用下三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移的理论模型。用数值解法进行求解,并作图分析了三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移的最大值和变化幅值与三维裂纹体几何尺寸及外载荷之间的变化关系。结果表明,随着裂纹体厚度的增大,三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移的最大值与变化幅值不断减小;当裂纹体几何尺寸相同时,弯曲裂纹尖端张开位移的最大值与变化幅值均随外载荷的增加而逐渐增大。     

表面裂纹受拉伸板三维弹塑性有限元分析模型及其J积分

使用Ｑｃ１１和Ｑ６块体单元,对带有表面裂纹的受拉伸板建立了一种三维弹塑性有限元分析模型;将虚裂纹扩展法（ＶＣＥ）用于所分析的表面裂纹。数值结果表明,这一模型对理想弹塑性,线性强化和１６ＭｎＲ材料均适用,且具有计算量小,一致性好的优点。     

非均质焊接接头的裂纹尖端拘束与J积分应用的可行性

采用弹塑性大变形有限元方法，分析了平面应力状太民下非均质焊接接头中以应力三轴度表征的裂纹尖端拘束。结果表明，接头中裂纹尖端拘束不能满足ＨＲＲ场要求而显示出与接头区配、裂纹长度和裂纹模型有关的复杂演化规律。因此，在焊接接头直接应用Ｊ积分作为断裂参量存有问。     

薄壁压力容器Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹的塑性区研究

裂纹尖端塑性区对裂纹的扩展和失稳扩展起着关键作用。此文针对薄壁压力容器结构中可能出现的Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹,利用Mises屈服条件对裂纹尖端塑性区的分布进行了研究,推导出两向拉伸斜裂纹尖端塑性区分布的数学表达式。用线弹性断裂理论推导了裂纹开裂角度与裂纹角的关系,并用数学软件Matlab描述了在临界状态下不同裂纹角所对应的裂纹尖端塑性区的轮廓线。     

屈服准则与裂纹开裂判据

本文提出了在裂尖附近的弹塑性交界线上,选择并比较有关的力学参量,以预测复合型裂纹的失稳扩展的方法。分别用Mises,Tresca,Twin shear stsess屈服准则讨论了裂尖附近的塑性区形状与大小,进而在其周界上选择周向应力σ_θ,周向应变ε_θ,塑性区长度γ_P作岛裂纹失稳扩展的控制参量,以预测其失稳扩展的方向及条件。对不同准则与不同控制参量所预测的结果进行了比较。     

复合型裂纹临界扩展研究

将弹性变形能沿包含裂纹尖端塑性区圆形围线上的积分作为裂纹扩展驱动力,建立了一种新型的复合断裂判据。较之仅着眼于纹尖场某一点的最小应变能密度因子理论,新判据更多地顾及到了尖端场的全局。实验结果证明,本文所提出的复合型断裂判据是简便可行的。     

大直径周边切口试件的冲击拉伸试验系统的弹塑性有限元分析

为在旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验装置上更好地实施起裂止裂试验 ,对采用直径大于杆径的周边切口试件的动态断裂试验系统进行了弹塑性有限元动力学分析 .结果表明 ,尽管试件端面的应力场和位移场是非均匀的 ,但对于深裂纹大直径试件 ,围道J积分仍是守恒的 ,J积分仍可作为裂纹尖端的表征参量 ,且Rice远场J积分公式仍可推广应用 ,但必须对由一维试验原理所得到的试件两端的平均相对位移和载荷进行修正 .为此 ,提出了一种有效的相应修正方法 ,由此得到的远场J积分与动态围道J积分吻合得很好     

压痕硬度测试的有限元分析

根据压痕硬度测试理论,建立了有限元模型。通过有限元手段分析了金属材料在不同载荷作用下的压入过程,了解在压痕硬度试验过程中压痕周围所产生的应力分布,计算了硬度HB值,与在硬度试验中所测的HB值吻合,证实了模型和材料特性描述的可靠性,在此基础上,研究了不同硬度的试件,载荷对压痕参数和压痕周围应力分布的影响。结果表明:载荷大小直接影响压痕深度、隆起部分、回弹量和塑性区域大小,随着载荷的增加,压痕深度、隆起部分、回弹量和塑性区域大小均有不同程度的增加,增加的程度与材料的硬度有关,而且随着载荷的增加,压入深度加深,压痕周围塑性区域逐渐扩大,其硬度值和塑性区域逐渐趋于稳定范围。     

裂纹顶端塑性区内方向应变能的裂纹扩展准则

在应用断裂力学和塑性力学对裂纹顶端的分析基础上,提出了裂纹顶端塑性区内方向应变能的概念,并建立了基于此概念上的裂纹扩展准则,引入裂纹顶端临界扩展本征区概念,消除了应变能积分中的奇异性.与其它裂纹扩展准则的比较结果表明,在此基础上建立的裂纹扩展准则是合理可行的.     

多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的疲劳裂纹扩展研究

进行了多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的疲劳裂纹扩展的分析与试验研究。给出了典型的随机载荷谱下铝合金加筋板多裂纹扩展的预计方法。用组合法和类比法计算多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的应力强度因子。考虑每个载荷循环裂纹之间的相互作用影响,以Walker裂纹扩展公式和Willenborg-Chang裂纹扩展公式为基础,用循环续循环进行裂纹累积,用虚拟施加剩余强度载荷和裂尖韧带塑性区连通判据确定临界裂纹尺寸。进行了恒幅谱载荷及程序块谱载荷下加筋板多裂纹的扩展试验研究。对比了铝合金多裂纹扩展的分析预计结果和试验结果,对比结果表明,预测的寿命与试验结果吻合较好。     

多处损伤LY12 CZ铝合金加筋板疲劳裂纹扩展研究

进行了多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的疲劳裂纹扩展的分析与试验研究.给出了典型的随机载荷谱下铝合金加筋板多裂纹扩展的预计方法.用组合法和类比法计算多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的应力强度因子.考虑每个载荷循环裂纹之间的相互作用影响,以Walker裂纹扩展公式和Willenborg-Chang裂纹扩展公式为基础,用循环续循环进行裂纹累积,用虚拟施加剩余强度载荷和裂尖韧带塑性区连通判据确定临界裂纹尺寸.进行了恒幅谱载荷及程序块谱载荷下加筋板多裂纹的扩展试验研究.对比了铝合金多裂纹扩展的分析预计结果和试验结果,对比结果表明,预测的寿命与试验结果吻合较好.