基于波包能量的裂纹扩展监测实验研究

采用主动Lamb波监测技术对铝板结构中的疲劳裂纹扩展进行了实验研究.首先通过布置在结构中的压电片激发并采集Lamb波信号.然后分别把Lamb波信号的原始信号、信号包络及其特定尺度上的小波系数模值定义为波包,并建立了不同定义下波包能量的计算公式.将结构在裂纹扩展过程中传感器所接收的Lamb波So模式波包能量与健康状态下所得到的波包能量进行对比,得到每个裂纹扩展阶段的能量差,将其归一化后得到相应的裂纹损伤特征参数.最后通过实验分析得到该损伤特征参数与裂纹扩展程度之间的对应关系,从而揭示出Lamb波随裂纹扩展的变化规律.实验结果表明,利用上述方法所得到的裂纹损伤特征参数随裂纹扩展表现出特定的变化规律.该规律对于裂纹监测的进一步研究具有促进作用.     

裂纹图像分割与提取的聚类分析方法

提出了一种模糊C均值聚类和密度聚类算法相结合的方法对裂纹图像进行分割提取.使用标准的模糊C均值聚类算法来对原始图像进行初始聚类,得到包含裂纹区域的候选点.本文还提出裂纹狭长度与区域向量2种概念,并用来去除候选点中的伪裂纹.然后,利用密度聚类算法(DBSCAN算法)对候选点进行裂纹聚类,提取出最终的裂纹图像.实验结果证明,使用上述方法对裂纹图像进行分割提取可以得到很好的效果.     

用于延性断裂韧性测试的载荷分离方法与应用

使用载荷分离理论的延性断裂韧性单试样方法,选取汽轮机转子钢Cr2Ni2MoV对规则化法和SPb分离参数法进行了研究.结果表明,在规则化法中,钝化修正时的钝化线方程仅对裂纹扩展较小时的J阻力曲线产生影响.提出了改进SPb分离参数法,消除了参考钝裂纹试样的影响;同时采用钝化修正后的初始裂纹长度和试验终止裂纹长度进行标定,可获得合理的裂纹长度预测结果.由改进SPb分离参数法得到J阻力曲线在较小裂纹扩展范围内均略高于由规则化法得到的J阻力曲线,而当裂纹产生扩展较大时,两种方法得到的J阻力曲线几乎完全重合;由规则化法得到的条件启裂J积分JQ值偏于保守.     

复合材料圆板Ⅳ型界面裂纹扩展应力位移场

对Ⅲ型界面中心裂纹的均匀各向同性脆性复合材料薄圆板裂纹扩展进行了研究.通过建立数学模型和基本方程,找出了边界条件,并用分离变量法进行求解,得到了裂纹尖端附近应力场和位移场的解析解.采用所建立的模型,针对实际可能出现的裂纹扩展问题进行了讨论.     

基于直流电压降法的三点弯曲试样疲劳裂纹扩展速率测量方法

通过有限元分析得到了三点弯曲试样的裂纹长度与电压降及裂纹尖端应力强度因子的关系式,开发了可以在应力强度因子恒定、可控升高和降低的条件下进行疲劳试验的软件,通过编写测试程序的方式连续进行不同载荷、载荷比、频率条件下的疲劳试验,在线测量裂纹扩展速率,且根据裂纹长度扩展情况自动改变测试条件.通过对2种镍铝青铜合金材料疲劳裂纹扩展速率测量,对该方法进行了验证,得到了裂纹扩展速率与应力强度因子关系曲线,并利用Priddle公式和ParisErdogan公式拟合得到了裂纹扩展应力强度因子门槛值等疲劳特征参数.     

复合材料圆板Ⅳ型界面裂纹扩展应力位移场

对Ⅲ型界面中心裂纹的均匀各向同性脆性复合材料薄圆板裂纹扩展进行了研究.通过建立数学模型和基本方程,找出了边界条件,并用分离变量法进行求解,得到了裂纹尖端附近应力场和位移场的解析解.采用所建立的模型,针对实际可能出现的裂纹扩展问题进行了讨论.     

矩形板中心裂纹有限元数值分析

为了计算构件裂纹断裂参量应力强度因子,利用有限元方法对矩形板中心裂纹断裂参量应力强度因子的计算进行了研究.在建立有限元模型时对于裂纹尖端的单元,采用节点-单元的方式生成二次奇异单元.同时对矩形板中心裂纹的应力强度因子的计算公式进行了修正,得到了简便的公式.为计算类似的裂纹断裂参量提供了参考和借鉴.     

缺口敏感性对工件疲劳行为的影响

为解决不同半径孔的疲劳缺口因子对工件寿命影响行为的预测和评价,在线弹性断裂力学的基础上,采用分析的方法探索疲劳缺口的影响因素,提出了一个考虑裂纹闭合的方法,讨论了裂纹闭合在非扩展裂纹形成上的影响,得到了材料晶粒尺寸较大时的小裂纹生长率低,其时的裂纹闭合能使裂纹生长终止,也得到了疲劳缺口因子与应力集中之间的关系,特别是微小孔的疲劳缺口因子随裂纹闭合减小较明显.该结果便于对工件使用寿命进行预测.     

氧化硅薄膜中界面脱层协同演化导致的弯曲裂纹形貌形成

当薄膜以适当的黏附能结合在基底上时,由于残余拉伸应力的作用,薄膜会同时发生开裂和界面脱层,从而形成许多不同寻常的裂纹形貌,如螺旋、新月以及各种取向的条状.在实验上采用溶胶凝胶法制备二氧化硅溶胶,溶胶镀在玻璃基片上后,通过高温干燥引入热应力,得到了大量迥异的裂纹形貌,如直线型裂纹网络、弯曲裂纹网络以及直线型裂纹与弯曲裂纹共存的裂纹网络.光学显微镜和扫描电子显微镜观测显示弯曲裂纹与直裂纹的共存与转变和薄膜裂纹扩展是否伴随界面脱层密切相关.对在不同薄膜厚度下得到的新月裂纹进行观测,发现一定范围内新月裂纹波长与厚度之间存在线性关系.本文也报道了一些其他的特殊裂纹形貌,以及几种弯曲裂纹的生长过程.最后提出了模拟界面脱层与开裂协同演化过程的相场方法,期待未来进一步揭示弯曲裂纹形貌形成的更多细节.     

混凝土双参数断裂模型和尺寸效应模型R阻力曲线比较

对混凝土的两类基本断裂模型(双参数断裂模型和尺寸效应模型)求解得到的第Ⅰ类几何形式下的R阻力曲线进行了详细的分析比较.首先对有效裂纹长度和裂纹尖端张口位移进行了修正,在此基础上由双参数断裂模型和尺寸效应模型得到了R阻力曲线的解析表达式.通过两类R阻力曲线计算得到的荷载-位移曲线与试验结果的对比,发现尺寸效应模型得到的临界有效裂纹长度稍大于双参数断裂模型的结果,而根据双参数断裂模型R阻力曲线得到的最大荷载大于尺寸效应模型的结果,且当相对初始裂纹长度较大时,双参数断裂模型R阻力曲线得到的最大荷载远大于试验值.双参数断裂模型的R阻力曲线适合于初始裂纹长度相对试件高度较小的情况.     

低频P波荷载下压电介质中共面裂纹的耦合断裂行为

对压电介质中共面裂纹的动态断裂问题进行建模,并求解该边界值问题.将裂纹形状等效为等面积的矩形以便于理论分析和增加安全评价的可靠性,采用一般Almansi理论得到了广义应力场、广义应力强度因子和能量释放率的解析表达式.考虑部分电导通裂纹边界条件,将边界值问题转换为3组对偶积分方程,并以裂纹上下表面的位移阶跃函数作为未知函数.通过将位移阶跃函数展开成Jacobi多项式,得到裂纹尖端的广义奇异应力、广义强度因子和能量释放率的解析解.最后,通过数值算例研究了P波载荷频率和矩形裂纹几何尺寸对裂纹扩展行为的影响规律.研究结果显示了该方法的正确性及在动载作用下裂纹相互作用引起裂纹扩展行为的复杂性.     

基于神经网络正向模型和遗传算法的涡流检测自然裂纹形状重构

提出了一种基于神经网络正向模型与遗传优化算法从疲劳裂纹涡流检测(eddy current testing, ECT)信号重构裂纹形状的方法.人工制作了疲劳裂纹试样,利用一种小波分析方法对采集的疲劳裂纹ECT信号进行了去噪预处理并提取了信号特征.随后通过破坏性检测方法获得了裂纹的真实形状.在建立疲劳裂纹参数化模型基础上,利用经过处理的裂纹ECT信号和裂纹形状参数样本库对径向基函数(Radial Basis Function, RBF)神经网络进行训练.遗传算法首先创建大量表示裂纹形状参数个体的初始种群,输入经过训练的神经网络,得到对应的ECT预测信号,然后运用遗传策略进行迭代反演优化,搜索裂纹形状最优解.重构结果表明该方法具有快速、精确的优点.     

基于智能算法的涡流检测自然裂纹形状重构

人工制作了疲劳裂纹试样,利用一种小波分析方法对采集的疲劳裂纹涡流检测(ECT)信号进行了去噪预处理及信号特征提取,通过破坏性检测方法获得了裂纹的真实形状.在建立疲劳裂纹参数化模型的基础上,利用经过处理的裂纹ECT信号与裂纹形状参数样本库对径向基函数(RBF)神经网络进行训练.采用遗传算法,通过创建大量表示裂纹形状参数个体的初始种群,输入经过训练的神经网络,得到对应的ECT预测信号;然后运用改进的遗传策略进行迭代反演优化,对裂纹形状最优解进行搜索.重构结果表明该方法具有快速、精确的优点.     

热交换管内壁半椭圆裂纹应力强度因子的数值研究

使用ANSYS软件建立了热交换管内壁横截面上含半椭圆裂纹的有限元分析模型,用来模拟裂纹尖端应力奇异性.通过对裂纹前缘进行离散,得到不同扩展的裂纹前缘.在不同热机械耦合载荷下,计算并比较了不同裂纹参数下有限元模型的应力强度因子K_Ⅰ值.讨论了K_Ⅰ值分布规律以及影响其分布情况的因素.     

复合材料损伤与断裂力学研究

对纤维增强聚合物基复合材料进行了损伤与断裂力学分析,建立了材料的模型,采用基体横向裂纹的剪切迟滞分析获得较好的基体开裂的定量分析结果;采用边界配置法计算各向异性材料裂纹体的应力强度因子,建立裂纹的扩展判据,并对纤维断裂进行了弹性分析.针对玻璃纤维/酚醛复合材料层板进行了理论和实验分析,得到材质裂纹密度与刚度退化的相关曲线,实验结果验证了理论分析结果的正确性;得到应力强度因子S随裂纹尺度的变化曲线和对纤维断裂和脱胶引起的刚度退化的计算结果.     

核反应堆压力容器的热-机械耦合及断裂分析

为研究承压热冲击对含表面裂纹的核反应堆压力容器(reactor pressure vessel,RPV)的承载能力的影响,利用ABAQUS软件对裂纹周围的环带区建立三维有限元模型,得到了瞬态温度场和应力场.使用扩展有限元法对热-机械耦合场中裂纹的扩展情况进行模拟.对不同的无延性转变温度下容器的极限承载力进行了弹塑性断裂分析,并与弹性分析的结果进行对比,总结出材料的断裂特性.通过网格的细化发现,由不同单元尺寸得到的裂纹扩展路径及损伤程度是相当的,从而避免了病态网格的依赖性.     

含横向裂纹弹性盘轴系统的振动特性研究

建立了一般情况下含横向裂纹弹性盘轴系统的动力学模型 .利用 Lagrange方程得到了系统的动力学方程 ,采用假设模态法对变量进行离散 ,求出了系统振动频率与轴的转速、裂纹深度及裂纹位置的关系 ,并与有关文献进行了比较     

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.     

强冲击载荷下氧化铝陶瓷的力学特性及本构模型

研究氧化铝陶瓷在强冲击加载下的力学响应和动态本构模型. 利用一级轻气炮对陶瓷靶板进行冲击加载,测量得到靶板内的应力-时间曲线,并分析得到氧化铝陶瓷的动力学特性. 结合陶瓷材料破坏特性分析,从脆性材料内翼型裂纹的产生和扩展机理出发,建立了微裂纹损伤本构模型,其中损伤参数通过微裂纹尺寸和微裂纹数2个变量进行描述. 实验与计算结果表明,该模型较好地描述了强冲击载荷下氧化铝陶瓷的力学行为.     

滑动接触效应对裂纹尖端J积分值影响分析

采用断裂力学和有限元法对无润滑摩擦条件下滑动接触效应对摩擦表面裂纹尖端J积分值的影响进行研究,分别得到了不同摩擦因数、接触压力、裂纹长度和裂纹形态下裂纹尖端J积分值的变化规律.结果表明:摩擦效应对裂纹尖端J积分值的影响因裂纹形态不同而变化;对于竖直型裂纹,摩擦效应的增加加剧了裂纹尖端J积分值的变化;对于斜裂纹,在滑动至裂纹附近时,摩擦效应的增加减弱了裂纹尖端J积分值的变化.裂纹尖端J积分值波动幅度随着接触压力的增大而增大.相同接触压力和摩擦效应下,裂纹与滑动速度方向的夹角越小,裂纹尖端J积分值变化越显著.裂纹尖端J积分值随着裂纹深度的增加先增大后减小.