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.     

接触疲劳剥落过程的研究

本文在渗碳试件的实验基础上,第一次用涡流和着色探伤法测定了接触疲劳裂坟产生的时间和位置;用金相法连续观察了接触疲劳裂纹扩展的形貌并测定了接触疲劳裂纹扩展速率;用扫描电镜观察了接触疲劳断口不同区域的形貌,并提出用鳞片花样进行描述。实验结果表明:钢的成分与组织对接触疲劳寿命的影响可以通过对接触疲劳裂纹相对萌生期(N_0),稳定扩展期(N_1),快速扩展期(N_2),裂纹扩展速率(da/dN),断口形貌和裂纹扩展特征等来进行深入的研究。     

迭加压应力的疲劳蠕变交互作用下的断口分析

对在700℃,迭加压力过载峰sp=-196MPa的复杂波形载荷作用下,试样的显微断口形貌进行了分析。由于Sp的作用使得疲劳条纹呈现有规律性的半圆弧形宽间距条纹,借助于它,测得疲劳裂纹扩展速率da/dN与△K的关系服从Paris公式;疲劳裂纹Ⅱ阶段与Ⅰ阶段扩展交替出现的形貌证实了:在大应力条件下,裂纹的扩展并不是长裂纹的延伸,而是短裂纹的“超前开动”及“跃迁式”连接过程。由于Sp的作用,断口上出现了三种不同形貌的“台阶”结构及宽条纹上的“挤入”、“挤出”、“二次裂纹”形貌,证实了疲劳条纹形成的滑移机制及形成上述形貌的晶体学位向关系。裂纹的疲劳蠕变混合形貌反映了高温下交互作用的影响。     

0Cr18Ni9钢腐蚀疲劳弯曲裂纹扩展行为研究

计算分析0Cr18Ni9钢的疲劳弯曲裂纹在NaCl水溶液腐蚀状态下与未腐蚀状态下的扩展速率与应力比R、加载频率f、应力强度因子的变化幅值、弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值、弯曲裂纹尖端J积分变化幅值的关系.研究结果表明,随应力比R不断增大及加载频率f逐渐减小,0Cr18Ni9钢的疲劳弯曲裂纹在NaCl水溶液腐蚀状态下的扩展速率逐渐增大,其扩展速率增大的程度在裂纹扩展的第一阶段较明显,第二阶段有所减弱,第三阶段趋于平缓;在NaCl水溶液腐蚀状态下的疲劳断裂特性方面,线弹性疲劳弯曲裂纹与弹塑性疲劳弯曲裂纹与各影响因素的关系具有相似性.     

润滑油对接触表面斜裂纹尖端K因子的影响

文章建立了二维具有初始滚滑动接触疲劳表面斜裂纹的模型。利用该模型 ,通过使用基于蜕化奇异等参元和数值外插法的 K因子计算方法 ,分析了滚滑动接触工况下摩擦及油压对表面斜裂纹尖端应力强度因子 (SIF)的影响。讨论了摩擦力、裂纹尺寸等对裂纹扩展的影响 ,从而进一步证实了 Way的假设 (润滑油进入裂纹是引起点蚀的主要原因 )的正确性     

圆弧齿线圆柱齿轮接触疲劳强度的试验研究

本文通过八对圆弧齿线圆柱齿轮的运转接触疲劳试验,得到了45钢正火齿轮的接触疲劳极限应力框图,可供圆弧齿线圆柱齿轮传动的接触强度计算参考使用。试验结果表明,该齿轮的齿面承载能力要比斜齿轮高26％左右,其抗点蚀能力也较之为高,且点蚀形貌具有特殊的形状。     

预加应力对滚动接触疲劳强度的影响

木文根据弹流理论和弹性力学计算了滚动接触应力场，并进行了预加拉应力对接触疲劳寿命影响的实验研究。结果表明：预加拉应力使裂纹起源于表面的点蚀寿命缩短，与滚动方向成３０°角的剪应力是引起点蚀的决定应力。     

流变行为影响接触疲劳的特征

通过对滚子接触疲劳试验数据的分析,探讨了润滑剂的流变行为对疲劳点蚀的影响。提出了裂纹扩展机制。表面裂纹的萌生期取决于弹性流体动力润滑的膜厚比。裂纹扩展速率取决于润滑剂的流变行为。用施加外载荷的方法验证了裂纹萌生和扩展中的弹流效应和流变效应。     

应力集中对2024铝合金高周疲劳寿命的影响

研究了2024铝合金常温下的高周疲劳性能,获得了2024铝合金在不同应力状态下的S-N曲线.分析了疲劳试样的断口形貌和裂纹萌生/扩展机理,以及疲劳试样的组织结构与疲劳性能之间的关系.结果表明,疲劳极限随着应力集中系数的增加而降低,当应力集中系数相同时,疲劳极限随着应力比的减小而降低;2024铝合金的疲劳断口以穿晶断裂为主;第二相颗粒起到了阻碍疲劳裂纹扩展的作用,使2024铝合金的高周疲劳强度得到了明显提高.     

正交异性钢桥面板的疲劳裂纹扩展规律

为了研究正交异性钢桥面板U肋-横隔板的连接部位的疲劳问题,基于扩展有限元方法分析典型疲劳裂纹的扩展机理,并引入U肋-横隔板焊缝的残余应力,分析残余应力对疲劳裂纹扩展的影响。研究结果表明:萌生于横隔板开孔处的疲劳裂纹未考虑残余应力时不会扩展,加入残余应力后会改变裂纹的应力状态,裂尖应力可以驱动横隔板开孔处的裂纹扩展,裂纹扩展类型为Ⅰ型裂纹;萌生于U肋焊趾处的疲劳裂纹为Ⅰ型主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹,残余应力会影响裂纹扩展角度;对于萌生于横隔板焊趾处的裂纹,相比于不考虑残余应力的情况,考虑残余应力的裂纹扩展规律与实桥开裂规律相符,说明对于焊缝疲劳裂纹,在疲劳评估时应考虑焊接过程中残余应力对评估结果的影响。     

圆柱/平面径向微动磨损特性及其对疲劳寿命的影响

从微动磨损特性出发,建立圆柱/平面微动磨损分析模型,通过ANSYS计算接触面的接触应力状态和接触面的相对滑移量,得到接触面的接触半径和微动磨损状况.将微动磨损条件下的疲劳寿命划分为微动磨损阶段、疲劳裂纹萌生和裂纹扩展3个阶段,给出接触疲劳应力下3个阶段的疲劳寿命计算方法,结合圆柱/平面径向微动磨损实例进行疲劳寿命估算.结果表明,接触面的应力集中导致裂纹萌生点,将单次施载的磨损量工况下疲劳寿命进行比较,得出微动磨损使构件的疲劳寿命降低,无微动磨损下疲劳寿命约为107.     

微凸体对直齿轮接触特性及疲劳寿命影响分析

齿轮在加载循环过程中,粗糙表面微凸体接触会在齿轮次表面形成应力集中,形成初始疲劳裂纹,降低齿轮使用寿命.为了进一步研究直齿轮表面微凸体曲率半径、高度对表面弹塑性接触特性的影响规律,利用Hertz接触理论和粗糙表面形貌的Greenwood-Williamson理论,建立了粗糙齿面单微凸体法向正接触模型、粗糙齿面弹塑性接触模型和不同粗糙度的粗糙界面接触有限元模型,并验证了模型的正确性.通过模型结果与有限元结果分析得,增大微凸体曲率半径会使接触应力有所降低,微凸体越高所受接触应力越大,且微凸体高度对接触应力的影响大于微凸体曲率半径造成影响.根据模型所得结果利用基于多轴疲劳机理的Smith-Watson-Topper方法预测了不同粗糙表面疲劳裂纹萌生所需的加载循环次数.研究结果进一步丰富了对粗糙表面接触疲劳机理的研究.     

喷丸对渗碳件接触疲劳及裂纹萌生扩展的影响

通过一系列试验表明,渗碳后喷丸可使接触疲劳强度提高,在低接触应力下接触疲劳寿命明显增加。对接触疲劳裂纹萌生。扩展至失效全过程所进行的连续追踪观测发现,裂纹萌生于渗碳过渡区;渗碳喷丸后比未喷丸的裂纹萌生寿命增加,扩展速率减小;由钢丸坑连接而成的浅小裂纹为非扩展裂纹;在喷丸影响区,裂纹扩展不同于未喷丸试件,即主裂纹平行于表面扩展;分叉裂纹发生再次分叉向下扩展,从而使裂纹扩展后期速率减小。     

热带轧机轧辊表面氧化膜疲劳脱落的有限元分析

根据热带轧机工作辊与支撑辊之间的接触应力、带钢与工作辊之间的应力,以及轧制过程中的轧辊热应力解析结果,利用大型有限元分析工具ANSYS分析了热轧带钢轧辊的表面氧化膜疲劳脱落问题·结果表明,随着加载次数的增加,氧化膜在原有微裂纹处沿X方向的疲劳应力增加,这将导致在原有微裂纹处沿Y方向产生疲劳裂纹·在氧化膜与轧辊基体的结合面上,由于剪切应力的增加将发生沿轧辊氧化膜与轧辊基体结合部位X方向疲劳裂纹·由于X方向疲劳裂纹和Y方向疲劳裂纹的不断扩展,使得裂纹相遇而导致了轧辊表面氧化膜的脱落·     

十八胺对接触疲劳的影响

在本实验条件下,发现随着润滑油中十八胺含量的增加,润滑油的抗接触疲劳能力提高。对试件表面化学元素进行了微成分分析,认为试件表面的N元素是FeN形式。十八胺能提高接触疲劳寿命的原因,是它能减少摩擦面间的摩擦系数,其胺基呈碱性。可中和润滑油中的部分酸性或减弱极性物质对金属的腐蚀作用。在扫描电镜上对试件表面疲劳裂纹的扩展进行了观察,认为疲劳点蚀的裂纹源来自试件表面,裂纹沿最大剪应力方向扩展,扩展中“油封”起重要作用。     

预应力硬态切削加工中残余应力的数值模拟

航空轴承外圈的疲劳裂纹分析表明,套圈表面的残余压应力分布致使轴承表面接触疲劳寿命降低。预应力切削是一种能主动控制加工表面的残余应力状态的方法,它是通过预先给工件施加一个弹性范围内的张应力后再进行切削加工。针对预应力硬态切削的特点,建立了切削模拟的三维热力耦合模型;分析研究了材料本构方程、任意拉格朗日-欧拉方法以及刀屑接触面的摩擦模型等切削模拟中的关键技术。最后,通过切削实验和有限元模拟,比较和分析了预应力硬态切削对加工表面应力状态的影响,证明了预应力切削方法能在加工表面产生残余压应力,从而提高加工表面的接触疲劳寿命。     

钢桥面顶板焊缝处共线双裂纹耦合扩展特性分析

为了研究钢桥面顶板与U肋焊缝处多疲劳裂纹间的耦合扩展效应,结合线弹性断裂力学理论与ABAQUS-FRANC3D交互技术,建立了钢桥面顶板-U肋焊缝处共线双疲劳裂纹的数值分析模型,对比分析了单裂纹和共线双裂纹的裂尖应力强度因子,揭示了裂纹间距、干扰裂纹尺寸对基础裂纹扩展特性的影响规律,并通过足尺节段试验对理论模拟进行了验证. 分析结果表明：共线裂纹相较于单裂纹的应力强化效应不可忽略,而相同尺寸双裂纹代表了多裂纹扩展的最不利情况,且当共线长裂纹的间距与裂纹长度比值s/c小于0.5时,裂纹交互影响因子及其扩展速率受耦合效应影响显著.     

钢吊车梁上部区域裂缝的现场调查及其加固方法研究

根据现有资料,分析了内蒙古包头钢铁公司出轧厂某车间钢吊车梁裂缝发生的原因,找出了偏心荷载是产生裂缝的主要原因。在此基础上,提出了以增加吊车梁截面的方法,在梁的两侧用角钢和高强度螺栓进行加固,并在裂缝尖端处钻孔,防止裂缝的继续发展及其他措施。为了解加固效果,现场实测了吊车梁在垂直荷载作用下角钢中的应力大小和相应措施位置腹板中的应力大小。结果表明,加固效果良好,并得出一些对吊车梁后期工作性能显著改善的结论。     

摩擦系数对支承辊次表层接触疲劳损伤的影响

以正交剪应力作为滚动接触次表层疲劳损伤评价的临界应力,分析了摩擦系数对滚动接触次表层正交剪应力幅及应力比的影响规律.根据疲劳损伤累积理论及非对称循环应力幅修正公式,建立了支承辊次表层接触疲劳应力与寿命计算模型,用于评价支承辊次表层接触疲劳损伤.实例分析了摩擦系数对支承辊次表层接触疲劳损伤的影响,结果表明:随着应力比及摩擦系数增大,支承辊的次表层接触疲劳损伤增大,因此,降低支承辊接触摩擦系数,可改善支承辊的疲劳损伤.