基于损伤力学与安全衰减路径的含裂纹缺陷压力容器扩展寿命分析

针对含裂纹缺陷压力容器的疲劳裂纹扩展寿命问题,在裂纹缺陷的安全衰减路径仿真基础上,提出了一种预测裂纹缺陷疲劳扩展寿命的计算方法。首先根据裂纹长度和深度的几何关联变化模型,基于该关联模型与失效评定图（FAD）仿真裂纹缺陷的安全衰减路径轨迹,然后采用数学积分方法求解安全衰减路径的长度和剩余轨迹线段长度,以此为度量建立裂纹缺陷安全裕度及损伤程度的计算模型,结合低周疲劳试验数据,在Lemaitre能量损伤理论上建立一种裂纹疲劳扩展寿命预测模型。此外,本文对某压力容器进行了算例分析,并运用本文提出的模型计算结果与Paris公式的计算结果及扩展有限元仿真的结果进行对比,结果表明,该方法对压力容器含裂纹缺陷的疲劳寿命评估有一定的实用价值。     

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.     

基于裂纹失效路径的压力容器剩余寿命预测新方法

裂纹的扩展行为研究是压力容器剩余寿命预测的关键与基础。针对目前难以准确预测压力容器表面裂纹剩余寿命的状况,通过建立压力容器表面裂纹的受力模型,利用有限元方法分别计算出裂纹表面点与最深点处的应力强度因子,得到裂纹深度a与长度c的变化之比,运用压力容器仿真系统进行路径仿真与失效速率仿真,得到裂纹在安全区域的临界拐点及临界值aN。实例计算结果表明,表面裂纹的失效路径能够直观准确的表示裂纹的扩展规律,进行有效的剩余寿命预测。     

表面裂纹疲劳扩展的一种损伤力学方法

以核反应堆中压力容器和管道的破前漏（ＬＢＢ）分析为背景，从连续损伤力学的角度研究了压力容器和管道中环向和轴向半椭圆表面裂纹在循环载荷作用下的疲劳扩展问题。以标量损伤因子表征材料的疲劳损伤，由裂纹尖端的损伤演化导出了与Ｐａｒｉｓ公式形式相似的裂纹扩展方程，给出了Ｐａｒｉｓ公式的物理意义。由此发展了一种分析表面裂纹疲劳扩展过程中形状演化问题的损伤力学方法。     

裂纹损伤圆柱壳承载能力的实验研究

通过实验对周向壁穿裂纹损伤圆柱壳在弯曲和拉伸载荷作用下的承载能力进行了研究,观察到在弹塑性条件下裂纹扩展的全过程,获得了圆柱壳刚度、强度随裂纹长度变化的关系,实验表明在相同载荷形式和几何条件下,承载能力与裂纹长度的关系可被统一表示．     

平面微裂纹扩展过程的计算机模拟

运用二维Voronoi网络划分技术模拟了金属材料的多晶体结构,在此基础上,对二维微裂纹在多晶体结构中的扩展过程进行了计算机可视化模拟,并开发出相应的计算机模拟软件.模拟结果再现了微裂纹在各个扩展阶段的形状变化特征及扩展路径,为预测在一定载荷条件下、特定材料中微裂纹的扩展行为提供了一个有效的可视化的手段,同时还为三维微裂纹扩展过程及其行为的模拟奠定了基础.     

焊接结构纵向及横向表面裂纹扩展特性有限元数值模拟

基于有限元方法和两对Paris疲劳裂纹扩展公式,考虑裂纹表层对裂纹扩展的阻碍影响,研究拉伸载荷作用下平板表面裂纹和对接接头纵向及横向表面裂纹扩展特性.结果表明:对接接头纵向表面裂纹在裂纹初始扩展阶段迅速向极扁长型发展,最终形状为扁长型;平板表面裂纹与对接接头横向表面裂纹扩展规律相似,在裂纹初始扩展阶段迅速向极近半圆形发展,最终形状为近半圆形;在裂纹扩展过程中,对接接头纵向表面裂纹长度方向上的扩展快于平板表面裂纹和对接接头横向表面裂纹长度方向上的扩展.     

三维表面裂纹扩展过程中的形状变化

本文对拉伸、弯曲以及它们的组合载荷作用下三维表面疲劳裂纹扩展过程中其形状的变化规律进行了理论推导和实验验证，并提出了弯曲载荷作用下裂纹形状比的实验公式。     

应力断料中裂纹扩展过程的数值模拟

从应力断料的需要出发,应用有限元软件FRANC2D/L对裂纹扩展过程进行数值模拟,分析了几何非对称试件中支撑的对称性对裂纹扩展路径的影响.研究结果表明,对于几何非对称试件,支撑对称时裂纹扩展路径在初期比较规则,后期出现偏离现象;调整两支撑的支距比,可以影响裂纹的扩展路径,支距比存在合理值,在合理值范围内,裂纹的扩展路径为沿双边V型切口的轴线方向.     

压力容器内外交错分布裂纹的相互作用分析

压力容器在制造、安装以及使用过程中都有可能产生裂纹,这些表面裂纹会随着容器的使用而发生扩展甚至破裂,严重影响了压力容器的使用安全性。因此开展了对压力容器内外壁表面裂纹相互作用的研究。通过使用ANSYS有限元分析软件,建立内压作用下含裂纹压力容器模型,分析了不同倾角以及交错角情况下裂纹应力强度因子的变化规律。发现单裂纹应力强度因子随倾角的增大而减小;内外壁双裂纹的相互影响作用随交错角的增大而减小。研究对含角度双裂纹相互作用下的失效评定具有一定的意义。     

疲劳拉伸载荷作用下的表面裂纹扩展分析

贮箱在长时间工作状态下会衍生出很多疲劳裂纹,这些裂纹的存在不仅影响容器的结构强度与使用寿命,还威胁到工作人员的人身安全,因此开展贮箱材料疲劳裂纹的动态扩展以及寿命机理的分析研究。本文通过Franc3D裂纹分析软件,预制不同长深比的半椭圆裂纹试样,研究裂纹动态应力强度因子在疲劳拉伸载荷作用下的变化规律,同时开展裂纹扩展路径、速率和寿命的探究。结果表明,不同长深比的半椭圆裂纹在扩展过程中尖端动态应力强度因子分布规律基本一致,且近表面处强度因子数值大小最高,仿真结果的裂纹形貌仍为半椭圆形;裂纹刚开始扩展时扩展速率近乎相等,随着载荷循环次数的增加,扩展距离呈指数型增长,近表面处的扩展速率最高,长深比c/a小于等于1的裂纹在近表面的扩展速率基本相同。     

基于离散元方法的预制裂纹扩展过程分析

对预制裂纹花岗岩试件进行了单轴压缩试验,得出了不同裂纹倾角下的岩石强度与弹性模量变化规律.建立了不同裂纹倾角下的岩石颗粒流计算模型,并根据室内试验结果标定了计算模型的细观参数.通过编制FISH语言提取了裂纹扩展过程中的裂纹信息,并进行了详细分析.研究结果表明:随着预制裂纹倾角的增大,裂纹起裂应力、起裂角不断增大,裂纹扩展由最初的翼型裂纹占主导向次生裂纹占主导转变;通过定义的裂纹聚集系数分析得出随着裂纹倾角的增大,裂纹聚集系数曲线由光滑变得曲折,裂纹扩展路径由集中向分散过渡.     

围压作用下TBM双刃中心滚刀破岩特性研究

为了研究不同围压作用下双刃中心滚刀破岩规律,运用颗粒离散元建立其破岩数值模型,分析不同围压与刀间距对双刃中心滚刀破岩过程中裂纹扩展、比能耗等规律的影响.研究结果表明:双刃中心滚刀侵入破岩时,围压增加会抑制裂纹沿岩体垂直方向扩展.刀间距不同,围压增加对双刃之间的裂纹扩展影响不同;岩石破碎存在三种破碎模式且刀间距适中时,围压增加会促进破碎模式转变;存在最优刀间距使比能耗最小且最优刀间距随围压增加而增加;实验观测不同围压下双刃中心滚刀破岩过程裂纹扩展、破碎模式转变规律与数值模拟结果具有很好的一致性.     

二维裂纹传播的动光弹性分析

本文用动光弹性法分析探讨二维裂纹传播动态特性,用多火花高速照相机记录双悬臂梁试件中裂纹传播的光弹性等差线条纹图,在几个包含从起裂到止裂的试验中取得这些条纹图的试验数据,给出时间对裂纹长度t-a和裂纹长度对动态应力强度因子a-K_Id两组曲线。讨论了运动方程和它的解。给出裂纹传播的裂尖附近的动态应力场和提供一个光弹性估计动态应力强度因子的实用分析程序。从本文解出发,将数值分析等差线条纹图和试验的等差线条纹图对照,可见两者能很好的符合。     

玛湖致密砾岩裂缝干扰规律

玛湖致密砾岩油藏是目前重要的陆上原油上产的主要组成部分,系统的油藏工程评价显示,其裂缝的扩展规律与页岩为代表的非常规储层具有典型的差异,“绕砾成缝”是其重要的控制机理,裂缝的干扰特征也有显著的差异。本研究基于考虑“基质本构、固液耦合、任意方向破裂表征”的离散元计算模型,研究了砾岩油藏裂缝扩展过程中的干扰规律。研究表明,应力差较小情况下,裂缝受到砾石吸引作用大于应力差作用,加之裂缝间的相互作用,使得裂缝逐渐向两侧发育,裂缝受到砾石阻碍作用,导致相互贯通,裂缝向两侧发育消耗能量,导致裂缝较短,在应力差较大的情况下,应力差作用大于裂缝受到砾石吸引作用,裂缝沿着最大主应力方向发育,裂缝集中发育,主裂缝较长。应力和砾石共同作用下的裂缝和干扰机理的研究为后期不同应力差条件下的合理改造和开发对策提供重要的支撑。     

岩体复合型裂纹的扩展规律Ⅱ.有水作用条件下

基于最大周向正应力理论，研究并给出有水作用的复合型裂纹在不同应力状态及化学损伤作用下扩展的临界应力强度因子和扩展方向角。分析表明，裂纹水压力对不同受力状态复合裂纹的扩展规律的影响是不同的；化学损伤对岩体应力强度因子和裂纹扩展的方向具有很大影响。     

含双空孔缺陷试件三点弯曲冲击试验

为了研究双孔缺陷对运动裂纹的作用机制，采用数字激光动态焦散线系统对含双空孔缺陷的有机玻璃板三点弯曲梁进行冲击断裂实验，分析研究了双空孔缺陷下裂纹扩展的路径、尖端动态强度因子、扩展速度以及焦散斑的变化规律。结果表明：空孔缺陷会吸引周围运动的裂纹，导致裂纹运动轨迹发生变化；含双空孔缺陷试件起裂难度显著增加，起裂的临界应力强度因子增加了24.29%；运动裂纹在接近双空孔缺陷时，双空孔缺陷对裂纹的扩展有明显的抑制作用，裂纹通过双空孔缺陷中心后，双空孔缺陷对裂纹的扩展有促进作用。     

三轴压缩条件下单裂隙岩样裂隙扩展研究

为研究岩石中裂纹的起裂、扩展和破坏规律，采用PFC2D数值模拟软件结合室内试验对预制单裂隙岩样进行分析。结果表明：（1）当围压为7MPa时，以剪切-拉伸复合破坏模式为主；当围压为14MPa时，试样以“Y”型剪切破坏、单一斜剪破坏模式为主；当围压为21MPa时，试样以“X”型剪切破坏模式为主。（2）试样的破坏模式与围压的大小密切相关，当裂隙长度一定时，随着围压的增大，试样的破坏越明显；当围压一定时，随着裂隙长度的增加，裂纹扩展的规模越大。（3）随着裂隙长度的增加，岩样的峰值强度、弹性模量、起裂应力与损伤应力均呈下降趋势；随着围压的增大，各力学参数均增大，裂隙长度越大时更易诱发新生裂纹，试样强度特性降低。（4）剪切裂纹在整个模拟加载过程中占主导地位且数量始终占比较大；随着围压的增大，拉裂纹逐步占据主导地位，且当围压为21MPa，裂隙长度为39mm时，拉裂纹是剪裂纹的2.73倍；当围压一定时，随着裂隙长度的增加，拉裂纹占比也逐渐减少。