热应力对金属棒料内部损伤的机理研究

针对棒料热应力变频振动的下料方法,建立了带V型槽棒料在分段强制冷却过程中的热力耦合模型,利用ANSYS有限元软件,获得了棒料在强制循环水冷却过程中内部应力场的分布.数值模拟结果表明,棒料内部最大拉应力点位于V型槽尖端正下方0.34 mm附近,该处的轴向拉应力已超过材料的强度极限,在V型槽所在棒料断面上靠近尖端点处产生一条环形损伤带,在水流速度下,该损伤带随着绝热边界宽度的增加先增大后减小,存在一个大约2 mm宽的最佳绝热边界,可使损伤的程度达到最大.在等绝热边界宽度下,损伤带随着水流速度的增加逐渐地增大,当水流速度大于5 m/s时,对棒料的内部损伤较小.实验结果表明,有热应力作用比无热应力作用的棒料下料时间减少了15%以上,从而验证了热应力损伤对棒料下料作用的有效性.     

V型槽几何参数对裂纹萌生的影响规律

针对研究新型低应力精密下料系统时,需要获得棒料表面所预制的V型槽几何参数对槽底应力集中水平影响规律的问题,利用MSC.Marc软件,建立了系统棒料下料时的有限元模型.采用正交法设计了实验方案,通过有限元法的数值模拟实验,确定了V型槽几何参数的合理取值条件,即槽外形夹角为90°,槽深与棒料直径的比为0 1,槽底圆角半径与槽深的比为0 08.同时,建立了可以衡量槽底应力集中程度的数学表达式.实验研究表明,槽深、槽底圆角半径对槽底应力集中水平的影响最大,而槽外形夹角对槽底应力集中水平的影响程度最小.     

偏心切口对棒料裂纹起裂和扩展的影响

为促进棒料裂纹的起裂和缩短裂纹的扩展时间,提出将偏心切口应用于低应力下料技术中。运用有限元分析和ZHENG-HIRT疲劳裂纹扩展速率公式,探讨偏心切口对棒料V型槽应力集中效应和疲劳裂纹扩展时间的影响。研究结果表明:在起裂阶段,偏心切口尖端一周各点的应力集中效应分布不均匀,在偏心切口最深处应力集中效应显著增强,为此处的局部起裂创造了更有利条件;在裂纹扩展阶段,名义切口偏心距e/b在0～0.12范围内,随着e/b增大,疲劳裂纹扩展时间显著下降,但e/b0.12后,疲劳裂纹扩展时间变化趋势趋于平缓,综合考虑下料时间和偏心切口加工,选取e/b=0.12为最佳值,下料时间随切口偏心距的变化趋势与理论上得到的疲劳裂纹扩展时间随切口偏心距的变化趋势一致。从断面质量而言,并不是e/b越大越好,但从总体看,有偏心切口时的断面质量比没有偏心切口的断面质量好。     

套筒式力臂补偿器对短棒料V型槽尖端起裂的影响

针对短棒料在低应力下料中加载力臂过短的难题,提出一种套筒式力臂补偿方法.采用扩展有限元法(XFEM)研究套筒式力臂补偿器参数对短棒料V型槽尖端起裂力、起裂位置、起裂角和起裂前最大Mises应力的影响,并提出短棒料下料断面的起裂质量评价方法.研究结果表明:当增长力臂L4≤20 mm时,V型槽尖端所需起裂力随L4增大而逐渐...     

塑性情况下预制V型裂纹尖端应力强度因子的修正

本文在现有研究工作的基础上,考虑了预制V型裂纹尖端存在塑性区的情况。首先探讨塑性区的大小,然后对弹性情况下求得的应力强度因子进行了修正。     

剪切下料问题的几何分析

本文针对剪切下料问题中存在的不足,从裂纹扩展的角度出发,以两个剪刃处产生的裂纹在扩展后必须相遇及保证剪切质量为前提,对剪切下料过程中影响剪切质量的径向间隙、轴向间隙、棒料直径及剪刃和棒料的接触长度进行了综合的几何分析,并以此为基础探讨了适宜的剪切下料方法。本文为径向夹紧剪切下料提供了必要的理论依据,实验证实了理论分析的正确性。     

应力法剪切下料的剪刃形式和适宜参数问题

应力法剪切下料是精密下料方法同裂纹技术的应力断料原理相结合的产物。通过建立夹紧剪切过程中被剪棒料的应力状态方程,分析了被剪棒料同剪刃及夹紧块之间的挤压应力分布,通过挤压应力的分布形式探讨了合理的剪刃形状,进而通过实验研究确定了适宜的剪刃几何参数,为应力法剪切的应用提供了理论依据和适宜剪刃。     

含预制圆孔半圆盘的冲击动态断裂过程试验研究

为研究预制孔洞缺陷对I型裂纹扩展过程的影响与作用机制,利用数字激光动态焦散线方法对预制I型边裂纹和孔洞缺陷的巴西半圆盘进行三点弯动态冲击实验.实验得到以下结论:受到冲击荷载后,与预制的试件内部孔洞相比,预制边裂纹尖端应力集中程度更高,因此内部的缺陷对冲击荷载敏感度较弱;当I型裂纹扩展接近预制圆孔时,预制圆孔会使裂纹扩展...     

中小直径棒料径向掰断低应力下料起裂机理研究

针对目前的低应力下料断面质量和起裂效率很难满足工业化需求的问题,提出径向掰断低应力下料方法.采用XFEM法对中小直径金属棒料的起裂阶段进行仿真分析,以V型槽尖端起裂偏距和起裂角为评价指标,通过正交试验研究夹持力臂L1、加载力臂L2、槽深q和底角半径ρ对起裂效果的影响规律.研究结果表明:对起裂质量影响最大的参数是底角半径...     

一种脆性材料断料方法的理论研究

从“防止裂纹之害”到“利用裂纹之利”,裂纹力学与金属切割交叉结合形成了一门新技术——应力下料.而它的首要任务就是设计低应力脆断敏感的应力状态,使材料易于脆断.通过对脆性材料在不同外载荷作用下破坏时断口裂纹扩展形势的分析与比较,找出了合理的脆性棒料的应力状态及预荷方式的类型,确定了脆性材料的裂纹破坏模式为拉剪破坏.并提出使脆性棒料处于低应力脆断敏感状态的一种理论方法——轴向拉伸法,形成轴向拉伸及径向断料的复合下料方式.     

几何特征对含切口构件疲劳寿命的影响

V形切口尖端处的应力奇异对含切口构件的疲劳寿命有着显著的影响,切口尖端的裂纹扩展速率取决于该应力奇场。文章采用边界元法研究了在疲劳荷载作用下,V形切口尖端处裂纹的扩展情况,并针对V形切口尖端处裂纹扩展到与纯裂纹具有相同的应力强度因子情形,对两者的疲劳寿命进行比较,最后得出切口深度、切口张角以及初始裂纹长度对V形切口裂纹扩展的影响规律。     

平流层飞艇蒙皮材料I型裂纹研究

 飞艇在平流层环境中受高低温交变、臭氧、紫外辐射等恶劣工况的影响。为研究平流层飞艇蒙皮材料I 型裂纹特性,在单轴向拉伸载荷下,分析了含有初始裂纹的蒙皮材料撕裂裂纹尖端区域变形场的测试方法和裂纹扩展特征。通过初始长度均为20 mm 的单边切口人工模拟预制裂纹试样,采用数字散斑相关方法试验,分别获得I 型裂纹尖端和垂直裂纹尖端的位移场和应变场分布,结合散斑变形图进行相关计算,发现撕裂裂纹扩展过程为近似的脆性断裂特征,垂直于撕裂裂纹扩展方向的材料试样裂纹尖端变形场呈现为离散阶跃变化特征。研究结果表明：该方法可以测量平流层飞艇蒙皮用的柔性层压织物的I 型裂纹尖端变形场,揭示裂纹尖端初始裂纹的扩展规律和演化特征,获得的大范围屈服裂尖长度的裂纹尖端的变形值曲线,可为平流层飞艇蒙皮材料的撕裂损伤变化分析和裂纹尖端变形场测试提供有效的方法。     

裂隙岩石疲劳损伤变形规律CT试验初探

基于对裂隙岩石的细观CT试验，对含有单一裂纹的贵溪红砂岩在单轴疲劳荷载作用下的损伤扩展机理和演化过程进行了初步的试验研究。结果表明，含有预制裂纹的红砂岩的损伤演化和裂纹的扩展受到预制裂纹的影响，破坏裂纹从预制裂纹尖端起裂，并且最终破坏发生于含有最大预制裂纹的层面。     

大理岩II型断裂规律试验及数值模拟分析

通过对预制裂纹的大理石矩形板的剪切试验,分析了加载方式和预制裂纹的几何参量a/w对岩板产生II型断裂模式的影响.当a/w<0.30时,岩板在2种加载方式下均能沿预制裂纹尖端连线发生II型剪切断裂;当a/w>0.30时,岩板的断裂模式以I型张拉裂纹为主.通过有限元计算所得岩板内部状态参量的分布规律,利用最小二乘法对计算所得的KII因子进行多项式拟合,建立相应边界条件下几何修正函数,并通过试验计算断裂韧度KIIC.最后,利用辅助劈裂试验,验证了a/w对岩板II型断裂的影响的实质是由于岩板的预制裂纹外部的岩石优先开始发生劈裂.     

V型切口尖端应力场和位移场的幂级数解

本文求解了V型切口尖端在面内加载(Ⅰ、Ⅱ型裂纹)时应力场和位移场的线弹性幂级数解答。对于面外加载(Ⅲ型裂纹),可依照本文的方法进行。本文的结果,为解决安全设计和裂纹技术的断裂设计中有关V型切口的问题提供了理论依据。     

斜拉应力状态裂纹尖端附近K的解法

在满足斜拉应力状态平直穿透型裂纹边界条件情况下,确定了复应力函数进而采用保角变换求解,获得裂纹尖端附近K的表达式.     

螺旋切槽孔松动爆破数值分析

应用ANSYS程序,对螺旋切槽孔松动爆破进行空间弹性和弹塑性的数值分析,得到:1)在螺旋切槽孔内应力分布是不均匀的,在切槽尖端附近,有集中拉应力作用;2)在整个螺旋切槽孔内存在拉压间隔分区,在距离切槽尖端较远处,应力变化较慢,而在距切槽尖端较近处,应力变化急剧增加;3)通过弹塑性分析,塑性区在切槽尖端产生,随着荷载加大,塑性区面积在切尖扩大并向切尖方向发展.因此,裂纹在切槽尖端产生,裂纹的扩展方向也是塑性区的继续扩展的方向,即沿切槽尖端方向扩展.     

横纵刻槽对半预制战斗部破片成型的影响

为分析壳体内刻槽对半预制战斗部破片成型的影响规律，开展了不同工况的仿真计算，并对典型工况进行了试验验证.利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，对爆炸载荷条件下破片的破碎断裂规律进行了研究，得到了横向刻槽与纵向刻槽的形状、深度等因素对破片成型的影响关系.研究结果表明:仅有横向刻槽时，将形成较多碎小破片；仅有纵向刻槽时，将形成杆条式破片；同时预制横向刻槽与纵向刻槽时，纵向刻槽深度应比横向刻槽深度小于20%，可得到大小均匀、质量可控的破片；刻槽形状采用"V+V"型或"锯齿（斜口朝起爆点）+V"型时，破片破碎控制效果较好.对典型工况开展了试验研究，试验结果与仿真计算结果较为相似，证明了仿真规律的正确性.      

DSCM测量铸铁裂纹尖端演化过程

基于梯度的搜索算法计算亚像素位移、基于位移场局部最小二乘拟合计算应变场.测量了铸铁预制裂纹三点弯曲梁裂纹尖端的演化过程,给出了试件加载过程中的全程荷载-位移曲线以及试件裂纹扩展的过程.由DSCM分析结果,给出了试件在不同加载阶段下裂纹尖端的位移场及应变场.     

功能梯度材料V型缺口根部裂纹场强特性分析

为研究功能梯度材料V型缺口根部裂纹尖端附近的应力场强特性,讨论了指数型梯度材料的裂纹场强特点.以双边V型缺口试件为研究对象,建立试件的有限元分析模型.基于分层法分析静态载荷和阶跃冲击载荷下功能梯度材料V型缺口根部裂纹尖端的应力场强.研究结果表明:静载荷下,缺口根部裂纹前沿中面裂尖等效应力、位移及应力强度因子随着梯度参数β的增大而增大;应力强度因子K随张开角α的增大而减小,且在0°~60°之间减小缓慢,而在60°~90°之间减小程度明显,而在大于90°时随张开角α迅速减小.在冲击阶跃载荷下随着梯度参数β的增大,其动态应力强度因子值减小.