含损伤焊接接头裂纹体J积分的有限元数值研究

针对三点弯曲裂纹试样，利用弹塑性损伤-应变耦合的有限元方法，研究了在不同强度匹配焊接接头中，母材区断裂应变的变化对焊缝区裂纹断裂力学参量J积分的影响规律研究结果表明，在焊接接头中，材料损伤的出现将使裂纹扩展驱动力J积分增加，即裂纹更易扩展。对于高、等和低匹配的焊接接头，在焊缝区各项力学性能参数保持不变的条件下，随着母材区断裂应变的减小，焊缝区的塑性应变及裂纹扩展驱动力J积分均有明显的提高，使结构的安全性下降。随着接头强度匹配比的降低(母材屈服强度的升高)，母材区断裂应变的变化对J积分的影响作用逐渐减弱。     

焊接力学性能不均匀性对材料延性断裂影响的研究

采用缺口拉伸试样，研究了高匹配焊接接头的力学性能不均匀性对焊缝及母材金属的断裂应变、断裂时的应力三轴性及临界空穴扩张比的影响。研究结果表明：焊接力学不均匀性，对材料的延性断裂行为有强烈的影响。对于母材金属，离焊缝愈近，其断裂应变愈大，而断裂时的应力三轴性愈小。临界空穴扩张比增大。     

复合加载下裂端弹塑性约束场和变形场

应用有限元方法分析了不同Ⅰ＋Ⅱ复合型下裂纹尖端弹塑性约束场（应力三轴性水平）和变形场，并与复合载荷下由ＨＲＲ解所确定的裂端约束场进行了比较，结果表明：平面应变条件下裂端复合型变形是不对称的相反塑性变形，变形符合钝化－锐化模型．复合加载条件下，随Ⅱ型分量的增加，裂端出现负应力三轴性水平的区域，最大应力三轴性水平值降低，纯Ⅱ型的约为纯Ⅰ型的一半，实际裂端的应力三轴性水平无论是分布形式还是水平值的高低都不满足由ＨＲＲ解所确定的应力三轴性水平     

加载角度对高速列车铝合金焊接接头裂纹扩展路径的影响

以A7N01铝合金焊接接头为研究对象,基于最大周向应力准则,通过数值模拟的方法对接头裂纹在Ⅰ-Ⅱ复合加载下的扩展路径进行了研究,其中重点分析了当裂纹扩展到焊缝与母材之间的界面时,复合加载角度α对其启裂角度θ的影响.结果表明:在Ⅰ-Ⅱ复合载荷作用下,接头裂纹扩展到界面时,其扩展方向存在三种可能性:一是继续在焊缝中扩展;二是沿着界面方向扩展且不进入母材;三是穿过界面且进入母材.当α=30°时,裂纹在界面处的启裂角θ约为0°,裂纹将沿着界面的方向扩展且不进入母材;当α=45°时,裂纹在界面处的启裂角θ约为30°,裂纹将穿过界面且进入母材;当α=60°时,裂纹在界面处的启裂角θ约为41°,裂纹将穿过界面且进入母材.     

基于三维XFEM计算的非匹配异种接头裂纹偏转验证

现有完整性评定将异种接头分为母材、焊缝、母材3个部位,然而低匹配接头实际存在母材、热影响区(HAZ)、交界面、焊缝4个部位。以CF62(母材)-316L(焊材)组合的低匹配接头为例,对其进行结构细分,对该低匹配接头进行断裂韧度试验时,裂纹向软质焊缝区偏转。笔者建立了低匹配接头的异质材料(交界面和HAZ)扩展有限元(XFEM)模型,对裂纹的偏转现象进行数值模拟,通过对不同匹配比(M=0.3～1.0)热影响区进行扩展有限元模拟,研究不同匹配比下裂纹偏转过程和含异种界面的J积分值,分析匹配比和裂纹偏转对接头断裂韧度的影响。结果表明:低匹配接头形式可提升HAZ的断裂韧度,断裂韧度随着匹配比的增大而增大;裂纹偏转现象会影响裂纹长度的测量,裂纹发生偏转后接头的断裂韧度有所下降。     

残余压力场下的疲劳裂纹扩展特性

以１６Ｍｎ钢焊接接头为研究对象，对焊接残余压应力场下的疲劳裂纹扩展特性进行了研究．测定了应力比为０．２，０．４，０．６条件下，母材、热影响区、焊缝的疲劳裂纹扩展速率，同时对残余压应力场的变化情况进行了分析和研究，提出了预测１６Ｍｎ钢焊接接头疲劳裂纹扩展速率的数学模型     

残余压力场下的疲劳动裂纹扩展特性

以１６Ｍｎ钢焊接接头为研究对象，对焊接残余压应力场下的疲劳裂纹扩展特性进行了研究，测定了应力为０．２，０．４，０．６条件下，母材，热影响区，焊缝的疲劳裂纹扩展速率，同时对残余压应力场的变化情况进行了分析和研究，提出了预测１６Ｍｎ钢焊接接头疲劳裂纹扩展速率的数学模型。     

WCF－62钢微观断裂过程的研究

采用不同裂纹深度试样及不同类型缺口试样对ＷＣＦ－６２铜下平台及转变区的微观断裂过程进行了研究。在下平台区，断裂为应力控制的Ｋ主导过程，裂纹及缺口试样解理的临界过程分别为第二相尺寸及贝氏体束宽度的微裂纹向周围基体的扩展。在转变区，随延性裂纹扩展，裂端三轴应力度增加，裂端主应力的提升由应力强化与应变强化两个因素决定，延性裂尖宽度变化及解理点在裂尖前的分布均具有随机性，从而导致韧性值的分散。     

不同裂纹位置焊接接头J积分有限元数值分析

针对焊接接头中母材、焊缝、热影响区的性能各不相同的问题，利用有限元方法，建立了焊接接头有限元计算模型，编写了，积分有限元计算程序。计算结果表明，在平面应变和平面应力两种状态下，焊接接头三个不同裂纹位置的，积分值与全母材和全焊缝材料的，积分值均不相同，但具有一定的规律性；裂纹分别处于焊接接头不同位置时的，积分有限元计算结果也不相同。根据各种情况下的有限元计算结果，结合焊接结构安全评定的工程实际提出了指导意见和建议。     

X65管线钢焊接接头抗开裂性能及止裂性能

为了研究X65管线钢焊接接头的抗开裂性能和母材的止裂性能，对接头的金相组织进行了观察，并且进行了接头各区域裂纹尖端张开位移(CTOD)试验和母材的落锤撕裂试验(DWTT)。试验结果表明：X65钢焊接接头焊缝和母材相比，组织粗大且不均匀，其冲击韧度和断裂韧度值均明显低于母材；X65钢管材对应剪切面积为40％的温度约为 -35℃，X65钢母材的抗开裂性能明显优于焊缝，且具有良好的止裂性能。     

基于强度组配对设计曲线的简单修正

将相当应变的观点应用到含有一个焊缝裂纹的焊接宽板中，可以看出焊缝金属与母材塑性的差异显著影响其断裂韧性和裂纹扩展驱动力，重要的一点是仅根据断裂韧性或裂纹扩展驱动力来衡量焊接接头非等组配的影响是不够的，如果材料的应力应变曲线合线性硬化规律，得出一个简单的ＣＴＯＤ设计曲线的修正表达式，可以用来预测焊接结构的极限载荷、极限应变或极限裂纹长度。     

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.     

热影响区强度对裂纹尖端塑性区的作用

用弹塑性有限元（ANSYS软件）计算了低组配焊接接头中不同热影响区屈服强度条件下，接头裂纹尖端塑性区的形状和大小的变化。计算结果表明，热影响区屈服强度的变化对接头裂纹尖端塑性区影响规律为屈服强度的降低，塑性区增大，焊缝和母材的塑性区减少。抗断性能分析表明，热影响区强度变化导致裂纹尖端塑性区变化，从而影响热影响区和焊缝的抗断性能。     

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.     

C-Mn钢和焊缝金属韧-脆转变宏观断裂行为

在韧-脆转变温度区对C-Mn钢和焊缝金属的COD,4PB,Charpy V和3NB试样进行了断裂试验。测量了试样断裂载荷、吸收功、加载点位移和断口上纤维裂纹长度,得到了纤维裂纹扩展速度及其前端标称应力随其长度的变化。结果表明随纤维裂纹的扩展,其单位长度吸收的能量降低,扩展速度加快,其前端的标称应力σ_(nom)增加,进一步的分析表明随纤维裂纹的扩展其前端三向应力度和正应力的增加导致韧-脆转变的发生。基于各试样尺寸和加载方式的不同,对其韧-脆转变断裂行为的差别进行了分析。对各种材料的断裂行为以及影响其韧-脆转变的宏观因素也进行了讨论。     

C-Mn钢和焊缝金属韧-脆转变微观断裂行为

对C-Mn钢和焊缝金属的COD,4PB,Charpy V和3NB试样在韧-脆转变温度区产生不同纤维裂纹长度后的断裂进行了卸载试验。通过对卸载试样纤维裂纹尖端及其两侧的微孔形态变化的观察和测量,断裂试样断口韧窝形貌以及起裂源粒子及其位置的观察和测量,对上述试样韧-脆转变区的微观断裂机理进行了分析研究。发现无论是裂纹试样还是缺口试样产生纤维裂纹后发生解理断裂的临界事件都是铁素体裂纹的扩展。韧-脆转变的主要影响因素为纤维裂纹扩展其前端三向应力度和最大正应力上升并超过临界值。韧性值的波动是由于在纤维裂纹扩展过程中,其尖端宽度的随机变化和材料中薄弱环节的随机分布引起的。     

焊接残余应力对裂纹闭合与疲劳裂纹扩展速率的影响

本文试验研究了ＷＸ６０管线钢及其焊接接头中的疲劳裂纹扩展速率、裂纹闭合行 为及焊接残余应力的分布与变化特点。得到了两种试件中的ｄａ／ｄＮ～　Ｋ及ｄａ／ｄＮ～ 　Ｋｅｆｆ关系．发现两种试件中裂纹闭合的程度和原因是不同的。在焊接试件中有显著的 裂纹闭合现象，其原因是焊接残余应力的作用。而在管线钢基材中裂纹闭合现象较小， 闭合原因是裂纹尖端尾部的残余塑性变形。本文论证了用ｄａ／ｄＮ～　Ｋｅｆｆ来估算焊件 疲劳寿命的合理性。     

对JIC断裂准则的一种改进

基于近年来在裂纹尖端塑性内应力应变分布、损伤和断裂的塑性消耗特征等方面的所做的研究工作,对传统断裂准则进行了改进,提出了一种考虑了构件几何及应力三轴性的新的断裂准则。由一系列几何尺寸的紧凑拉试验的验表明,理论预言与实验测量结果符合得委好。     

金属粉末成形过程的裂纹预测

根据金属粉末成形的工艺过程和裂纹形成原因,对裂纹进行了分类,运用损伤力学方法分析了金属粉末成形过程中出现各类裂纹的形成机理,使用基于Lee金属粉末压制模型导出了缺陷预测模型,模型包含了瞬时应力、应变、相对密度及它们积累作用的影响,因此该模型不仅定量地表示瞬时的损伤状态,更体现了整个加载过程应力－应变历史进程对材料产生的劣化作用,对单台阶零件压制进行了模拟,结果显示裂纹出现在应力三轴度和应变较大部位,与实验相符。