CFRP加固裂纹钢板的疲劳寿命及加固参数研究

钢结构在运行一段时间后,其母材或焊缝附近易产生裂纹,因此需要对裂纹进行修复以延长使用寿命.文中研究了碳纤维增强复合材料(CFRP)加固裂纹钢板的疲劳寿命及加固参数.首先采用粘结力理论,建立CFRP加固裂纹钢板的有限元模型,计算得到裂纹尖端的应力强度因子;然后进行4组对比疲劳试验,利用试验数据和Paris公式计算材料常数C和n,将计算的应力强度因子代入Paris公式预测试件的疲劳寿命;最后利用有限元模型对CFRP加固的刚度、长度、宽度等加固参数进行了研究.结果表明:根据有限元模型计算的应力强度因子幅和Paris公式可以准确预测CFRP加固裂纹钢板的疲劳寿命;CFRP加固可以减小裂纹尖端的应力强度因子,有效提高裂纹钢板的疲劳寿命.     

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.     

钢箱梁疲劳裂纹气动冲击法维修效果评估

以实桥疲劳裂纹为研究对象,从应力和应力强度因子角度评估气动冲击维修方法的现场实施效果.对维修前后疲劳裂纹尖端附近的应力分别进行24 h数据采集,并采用雨流计数法,探讨裂纹尖端应力幅的变化规律.结合应力强度因子测试理论,对比研究裂纹尖端应力强度因子幅的变化规律.研究结果表明:本测点疲劳裂纹为典型的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,维修后疲劳裂纹尖端张拉和剪切应力幅均得到有效降低,改善了裂纹尖端受力条件.高应力强度因子幅的循环次数显著降低,表明气动冲击维修技术对于制约复合型裂纹扩展具有良好效果.     

基于谱分析和裂纹扩展方法的舱口角隅疲劳寿命预报方法

以某超大型集装箱船驾驶室前椭圆形角隅为例,采用谱分析结合裂纹扩展方法预报角隅疲劳寿命.首先通过水动力和结构响应分析得到全船响应,获得角隅在不同工况下的应力分布,并依此选定可能的起裂位置.然后将全船分析结果作为ANSYS中建立的带裂纹角隅模型二次分析的边界条件,求解应力强度因子并采用最大周向应力准则(MCSC)得到角隅在不同工况下的裂纹扩展路径,在大量计算的基础上回归出相应的角隅裂纹应力强度因子经验公式.最后依据ABS船级社推荐的谱分析法构建疲劳载荷谱,采用单一曲线模型和所获得角隅裂纹应力强度因子经验公式预报角隅疲劳寿命,为角隅疲劳寿命的校核提供参考.     

管道表面蚀坑-裂纹的应力强度因子分析

针对在役的海底管道遭受腐蚀疲劳损伤时其管道表面出现点蚀坑问题,应力强度因子成为衡量蚀坑向裂纹转变的临界条件之一.断裂力学的腐蚀疲劳寿命分析的基础是腐蚀疲劳裂纹扩展,裂纹的不稳定扩展又由应力强度因子来判别.因此,在腐蚀疲劳破坏中,将点蚀坑和应力强度因子结合起来研究变得尤为重要.基于应力集中是导致裂纹萌生的主导因素,建立了双参数蚀坑模型,合理地解释了腐蚀疲劳裂纹在蚀坑处萌生位置差异的现象.在管道内流体压力的作用下,管道外表面轴向I型裂纹在环向应力的作用下成为最为危险的一种裂纹型式.基于线弹性断裂力学,利用ABAQUS软件,在管道内压作用下,采用二维模型,对管道表面的轴向I型蚀坑+裂纹的应力强度因子展开了分析.结果显示,蚀坑对裂纹应力强度因子的取值产生明显影响,可显著降低裂纹扩展的门槛值.进一步采用三维模型,利用扩展有限元法,对影响轴向I型蚀坑-裂纹应力强度因子的蚀坑参数开展了敏感性分析.结果显示,蚀坑参数的不同,对蚀坑-裂纹应力强度因子、裂纹形状因子的影响趋势各异.随着蚀坑参数深径比?、深度d的增大,蚀坑-裂纹应力强度因子的取值也逐渐变大;蚀坑参数深径比?、深度d对形状因子F取值的影响存在一定的区间效应.     

平面复合型疲劳裂纹扩展问题

本文要解决的是平面复合型疲劳裂纹扩展方向以及疲劳寿命的预测问题。主要内容如下: 1.提出“等双剪应力线上δθmax平面复合型裂纹开裂判据”。与其它判据相比较;本判据所预测的裂纹开裂方向更接近于疲劳裂纹扩展试验的结果。2.文中指出:是Z形裂纹的分支方向,而不是其主裂纹方向,在Z形裂纹的KⅠ,KⅡ值中起着支配性的作用。接着提出二个计算Z形裂纹应力强度因子的近似方法。3.为预测复合型疲劳裂纹扩展的寿命,文中提出了一个新的裂纹扩展速率表达式,即折合张应力强度因子指数公式。此式所预测的寿命较接近于实验值。最后,还讨论了应用主应力强度因子K*,应变能释放率G,应变能密度因子S,预测复合型疲劳裂纹扩展的寿命问题。     

重载货车钩舌裂纹应力强度因子分析

服役条件的恶化和铸造缺陷的存在导致重载货车钩舌大量出现裂纹.根据实际应用中钩舌裂纹的出现位置和宏观形态,建立了含裂纹的钩舌有限元模型.采用相互作用积分法分析了牵引面水平中心线位置处、水平中心线附近及沿水平中心线处裂纹前缘的应力强度因子,并结合裂纹区不同位置处应力的变化特征,分析了应力对裂纹应力强度因子的影响.结果表明,牵引面处裂纹前缘的应力强度因子与裂纹位置和裂纹形状比有关,且相对于裂纹尺寸,应力对应力强度因子的影响更大.     

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.     

楔型向错偶极子对界面裂纹尖端场的干涉

研究了材料中楔型向错偶极子与界面裂纹的弹性干涉效应.运用复变函数方法获得了复势函数和应力场的封闭形式解答,导出了界面裂纹尖端应力强度因子的解析表达式.讨论了向错偶极子的位置、方向和偶臂长度对界面裂纹尖端应力强度因子的屏蔽和反屏蔽效应.结果表明,向错偶极子靠近裂纹尖端时,对应力强度因子的屏蔽或反屏蔽作用非常强烈.向错偶极子的方向存在一个临界值使其对应力强度因子的屏蔽或反屏蔽效应最大.另外,偶臂长度和材料失配对应力强度因子的影响也很大.     

玻璃钢套管Ⅰ型裂纹应力强度因子的数值计算

为研究含裂纹玻璃钢套管裂纹尖端应力强度因子,采用ANSYS软件建立了含中心裂纹玻璃钢套管的有限元模型,研究了玻璃钢套管长度、端面直径、裂纹长度及外载荷对裂纹尖端应力强度因子的影响.研究结果表明:可以采用有限元软件解决裂纹尖端应力场奇异性的问题,验证了使用位移外推法和J积分方法求解应力强度因子的正确性;当只改变一个参数时:裂纹尖端应力强度因子随裂纹长度变化呈线性增长;随着外载荷的增长,裂纹尖端应力强度因子呈正比关系增长;当试件长度与裂纹长度符合无限大平板假说时,采用位移外推法和J积分方法求解的应力强度因子与解析解基本一致.该成果对研究玻璃钢套管具有一定的参考价值和指导意义.     

共线双裂纹应力强度因子计算方法

为了在工程中快速准确地估算含共线双裂纹平板表面及最大裂纹深度位置的应力强度因子,提出一种基于裂纹表面最大张口位移估算三维体表面共线双裂纹沿表面及深度方向应力强度因子的新方法.该方法首先以三维体表面单裂纹沿表面和深度方向应力强度因子为基础,通过简单修正,提出了共线双裂纹应力强度因子的计算模型;然后基于有限元数值模拟,考虑了共线双裂纹的间距、裂纹形状比和裂纹长度比等因素对修正系数的影响,建立了多种情况下共线双裂纹应力强度因子的修正系数的量化模型;最后得到了适合工程应用的基于裂纹表面最大张口位移估算共线双裂纹应力强度因子的简便方法.     

基于线弹性断裂力学法分析焊接圆管节点的残余寿命

焊接圆管节点在焊缝处萌生疲劳裂纹后,在发生疲劳失效前的残余疲劳寿命可以通过线弹性断裂力学来进行计算。通过计算裂纹尖端的应力强度因子的大小,可以间接预测管节点在发生疲劳破坏前的残余寿命大小。本文详细介绍了如何计算应力强度因子以及管节点残余疲劳寿命的方法,为工程设计人员提供设计思路。     

两平行热疲劳裂纹的应力强度因子计算方法

针对直接计算热疲劳裂纹网中裂纹的应力强度因子有困难的问题,提出用有限元方法计算了若干组(每组两条)平行裂纹发生屏蔽效应时的应力强度因子,研究裂纹间屏蔽效应的规律.定义了热疲劳裂纹的比间距n、屏蔽剩余百分数s和裂纹长度比值f,发现此三者有确定关系且与边界条件及裂纹长度无关.给出了n-s-f的关系曲线,据此可根据单条裂纹的应力强度因子推算两条裂纹发生屏蔽效应时主裂纹的应力强度因子.算例表明,该方法是正确的、有效的.     

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.     

喷丸强化铝锂合金单边缺口拉伸试样谱载寿命预测

基于断裂力学的方法,对喷丸强化铝锂合金单边缺口拉伸试样在Mini-Twist载荷谱下的疲劳裂纹扩展行为进行研究.使用权函数计算裂纹在外加载荷和残余应力场共同作用下的应力强度因子;考虑到裂纹存在的闭合效应,基于NEWMAN的拟合公式,计算并更新Mini-Twist载荷谱下的张开应力.分析不完整的残余应力场测量结果对寿命预测的影响,发现不完整的测量数据对深度较小的残余应力场的寿命预测结果影响更大.     

机械载荷作用下三维功能梯度板的断裂分析

为了深入理解功能梯度材料断裂失效问题,利用有限元方法获得了三维功能梯度材料裂纹尖端的应力强度因子,研究了功能梯度材料模量比对应力强度因子的影响,尤其是考察了不同材料属性分布形式下功能梯度材料裂纹尖端的应力强度因子.计算表明:当裂纹靠近自由表面时裂纹尖端应力强度因子表现出复杂特性;材料模量比和材料属性分布形式对应力强度因子的影响显著.     

无干涉铆接搭接结构的多裂纹扩展预测方法

建立了含有广布损伤(MSD)裂纹的无干涉铆接搭接结构三维有限元模型,求解裂纹尖端左右两侧的应力强度因子,并提出了等效应力强度因子的概念。以Paris公式为基础,结合改进的载荷循环叠加方法、塑性区连通准则,并考虑MSD裂纹扩展中的相关性,建立了等幅谱下MSD裂纹扩展预测模型。计算结果与试验结果表明,使用该方法预测的3种开裂模式下的寿命值误差均在7%以内;对搭接结构进行分析不能简化为二维模型;MSD裂纹扩展寿命与结构开裂模式有关,结构中共存的裂纹越多其裂纹扩展寿命越短。     

发动机飞轮壳强度分析方法研究

飞轮壳是发动机的主要部件,起着保护飞轮,联接传动机构的作用.飞轮壳由于受到路面冲击载荷、发动机内部激励等作用而破裂带来巨大损失.本文从避免飞轮壳频率共振、静强度和疲劳损伤角度提出了飞轮壳强度的计算方法,采用有限元方法进行发动机飞轮壳频率、静强度和疲劳强度分析,并以飞轮壳材料的拉伸和压缩屈服极限评估飞轮壳的静强度,采用临界平面法评价飞轮壳的疲劳寿命.最后,以某发动机的铝合金飞轮壳为例进行了验证,结果表明研究方法可为飞轮壳的结构改进优化提供依据.     

基于XFEM的主次裂纹间应力强度因子相互作用

采用新型裂尖改进函数构建的Reduced XFEM,研究次裂纹与主裂纹的相互作用,以及次裂纹对主裂纹应力强度因子的影响,并在裂纹尖端采用互作用积分法计算应力强度因子。计算结果表明:次裂纹存在会使主裂纹的应力强度因子减小;次裂纹长度越长,主裂纹应力强度因子减小得越明显;次裂纹距主裂纹的位置与主裂纹的应力强度因子之间有一定的规律,主裂纹的应力强度因子随主、次裂纹间距离的增大呈“勺”形分布,且当该距离达到一定数值后主裂纹的应力强度因子变化较小,接近单裂纹状态。     

重载列车E级钢钩舌疲劳裂纹扩展条件及寿命预测

对重载列车E级钢钩舌进行了应力分析,导出了钩腕面裂纹的应力强度因子表达式.采用我国20 000 t列车车钩载荷谱,对钩腕面疲劳裂纹扩展的条件及扩展寿命进行了预测,并确定钩腕面裂纹的临界断裂尺寸,计算所得钩舌寿命与列车实际运行年限相一致.