多裂纹结构剩余强度的均匀设计研究

多部位损伤会造成工程结构剩余强度的大幅下降。为了更好地探索不同因素对工程结构剩余强度的影响能力,以均匀设计的实验设计和有限元分析方法,探索了连通距离、宽度和深度等三个因素对于结构剩余强度的影响,并用非线性拟合得到经验公式。研究结果表明:连通距离在10~20 mm范围内,剩余强度与连通距离成线性关系,在裂纹宽度10 mm、裂纹深度0.75 mm、连通距离从10 mm增大到20 mm时,剩余强度从352.8 MPa增加到388.6 MPa;剩余强度与裂纹宽度在5~10mm的范围内成线性关系,在连通距离20 mm、裂纹深度0.75 mm、裂纹宽度从5 mm增加到10 mm的过程中,剩余强度从360.8 MPa增加到388.6 MPa;剩余强度与裂纹深度成四次多项式关系,裂纹深度从0.25 mm增加到0.75 mm的过程中,剩余强度的降幅大于40 MPa,其影响能力明显大于前两者。研究结果对于工程结构剩余强度的评估提供了有价值的参考。     

基于裂纹尖端张开角含轴向穿透裂纹X80管道极限压力预测

准确预测含轴向穿透裂纹管道极限压力对其安全运行具有重要意义,但现有极限压力预测模型已不满足高韧性、高强度X80管道的评定需求。对含轴向穿透裂纹X80管道极限压力进行研究,建立含轴向穿透裂纹X80管道壳单元与三维实体单元数值模型,应用壳单元模型替代三维实体单元模型以简化分析过程并提高计算效率。基于含裂纹管道壳单元模型,选用临界裂纹尖端张开角作为断裂参量,分析初始裂纹长度、检测单元长度、管道壁厚等不同因素对极限压力的影响,提出极限压力预测修正模型。将基于修正模型的管道爆破压力预测结果与试验测试结果进行对比分析。结果表明,初始裂纹长度与极限压力呈负相关关系;而检测单元长度和管道壁厚与极限压力呈正相关关系,且壁厚与极限压力基本呈近线性关系;三者均对极限压力具有较为显著的影响。该模型具有更高的准确性,可用于高韧性、高强度薄壁X80管道的止裂设计。     

含裂纹AL2024薄板剩余强度和剩余寿命的影响因素研究

机械构件在使用的过程中难免会造成各种裂纹缺陷。为了保证含裂纹结构的使用安全,本文基于韧性断裂准则和最大周应力准则建立了含裂纹结构的剩余强度和剩余寿命的分析模块。利用上述分析模块探索了裂纹深度和裂纹倾斜角对含裂纹AL2024铝板剩余强度和剩余寿命的影响能力,并利用回归分析分布拟合出了剩余强度和剩余寿命的表达式。研究结果表明：剩余强度和剩余寿命的分析模块准确可靠;剩余强度随裂纹深度和裂纹倾斜度成指数变化,裂纹深度从15 mm增加到40 mm,裂纹倾斜角从60°减小到0°过程中,剩余强度从249.50 MPa减小到79.78 MPa,说明从剩余强度上讲深裂纹和小倾角裂纹对结构危害较大;剩余寿命与裂纹深度和裂纹倾斜角也成指数关系,在研究范围内随裂纹深度的增大和裂纹倾斜角的减小剩余寿命从148871减小到4481,说明从剩余寿命上讲深裂纹和小倾角裂纹危害较大。研究结果表明深裂纹和小倾角裂纹对结构危害较大,在周期性检查过程中要特别注意;同时该方法对于结构剩余强度和剩余寿命的评估提供了有益的参考。     

民用飞机两跨裂纹结构的剩余强度分析

根据通用做法,民用飞机机身和机翼壁板在"两跨"长度裂纹存在情况下剩余强度能够满足要求,设计人员在飞机设计的初级阶段就要对两跨裂纹情况下壁板剩余强度进行评估。     

基于剩余强度的箱形梁类焊接结构可靠性分析

根据概率损伤容限分析及可靠性理论，提出了一种基于剩余强度的箱形梁类的焊接结构可靠性分析方法，给出该类结构疲劳裂纹随机扩展过程中较普适的a—ac干涉模型和结构疲劳可靠性表达式。在给定与疲劳寿命有关的各参数条件下求得动态可靠性曲线，从而在箱形梁类的焊接结构设计中，很方便地根据可靠性要求确定或选择设计参数以及设备在使用过程中按周期检查和维修。     

界面裂纹尖端场的有限变形分析

采用完全非线性弹性理论，研究了两类不可压缩材料形成的界面裂纹尖端场．通过将裂纹尖端场划分为收缩角区和扩张角区，得到并求解了裂尖场的渐近方程，揭示了应力、应变场所示的奇异特性．     

Ⅰ型裂纹尖端圆弧对应力强度因子的影响

应力强度因子表征了裂纹尖端奇异应力场的强度,它是研究裂纹扩展规律和带裂纹构件强度的基础。本文采用有限元法,对受均布荷载作用存在边缘Ｉ型裂纹的平面板进行了数值分析。研究了裂纹尖端圆弧对应力强度因子的影响,分别计算了具有不同裂尖圆弧 的Ｉ型裂纹的应力强度因子。采用应力法计算不同半径处的表观应力强度因子,插值到裂尖圆弧而得。根据计算结果,绘制KⅠ-r0曲线,利用最小二乘法拟合至尖裂纹（r0=0）即得理想尖裂纹的应力强度因子,与解析解相差仅0.7%。该曲线为带圆弧裂纹的应力强度因子测试和带圆弧裂纹构件强度计算提供了依据     

基于裂纹扩展理论的结构强度退化模型

为了描述机械结构强度退化在整个寿命周期中的变化规律,本模型引用裂纹扩展理论,计算出不同载荷作用次数下临界裂纹值和结构裂纹扩展速率,根据临界裂纹值和结构剩余强度之间的关系模型,从而得到剩余强度随载荷作用次数的变化数据,由此建立基于裂纹扩展理论的结构强度退化模型.实例分析表明:利用裂纹扩展理论反求结构强度退化模型可以从材料微观方面分析零件结构强度退化量的动态变化规律,进而为零件结构的可靠性分析提供理论依据.     

Ⅰ型裂纹尖端圆弧对应力强度因子影响的数值研究

应力强度因子表征了裂纹尖端奇异应力场的强度,它是研究裂纹扩展规律和带裂纹构件强度的基础。采用有限元法,对受均布荷载作用存在边缘Ⅰ型裂纹的平面板进行了数值分析。研究了裂纹尖端圆弧对应力强度因子的影响,分别计算了具有不同裂尖圆弧r_0的Ⅰ型裂纹的应力强度因子。采用应力法计算不同半径处的表观应力强度因子,插值到裂尖圆弧而得。根据计算结果,绘制K_Ⅰ-r_0曲线,利用最小二乘法拟合至尖裂纹(r_0=0)即得理想尖裂纹的应力强度因子,与解析解相差仅0.7%。该曲线为带圆弧裂纹的应力强度因子测试和带圆弧裂纹构件强度计算提供了依据。     

结构钢材裂纹尖端张开位移的低温试验

目前对结构钢材低温脆性断裂的控制主要通过冲击韧性指标,难于获得定量的结果,因此,有必要对结构钢材的断裂指标进行低温测定。试验测定了结构钢材Q235A、Q345B和Q390E(屈服强度标准值分别为235MPa、345MPa和390MPa)在20～-70℃下12～48mm试样的裂纹尖端张开位移指标(CTOD),并分析了最大载荷CTOD特征值δm随温度和厚度的变化规律。结果表明,总的趋势是δm随着温度的降低而下降,其规律可以比较好的用Boltzmann函数描述;厚度增大,δm的总趋势降低,但在厚度12～24mm范围附近也会出现δm随厚度增加而上升的现象。     

一种改进的多处损伤平板的剩余强度模型

进行了多处损伤平板的剩余强度试验研究,得到不同裂纹几何平板的剩余强度.试验结果表明主裂纹长度增加使平板的剩余强度减小;对相同的主裂纹长度,韧带减小,试验件剩余强度也减小.以试验数据为基础,提出了一种修正的塑性区连通准则.用塑性区连通准则和修正的塑性区连通准则分别计算了多处损伤平板的剩余强度,结果表明对不同的主裂纹长度和不同的韧带长度,塑性区连通准则预测的平均误差为16.07%,而修正的swift塑性区连通准则的平均误差为9.24%,大大提高了预测结果的精度.     

多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的疲劳裂纹扩展研究

进行了多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的疲劳裂纹扩展的分析与试验研究。给出了典型的随机载荷谱下铝合金加筋板多裂纹扩展的预计方法。用组合法和类比法计算多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的应力强度因子。考虑每个载荷循环裂纹之间的相互作用影响,以Walker裂纹扩展公式和Willenborg-Chang裂纹扩展公式为基础,用循环续循环进行裂纹累积,用虚拟施加剩余强度载荷和裂尖韧带塑性区连通判据确定临界裂纹尺寸。进行了恒幅谱载荷及程序块谱载荷下加筋板多裂纹的扩展试验研究。对比了铝合金多裂纹扩展的分析预计结果和试验结果,对比结果表明,预测的寿命与试验结果吻合较好。     

广布损伤裂纹间干涉效应及数值分析

进行了三种开裂模式无钉载平板的广布损伤裂纹扩展试验,研究发现裂纹间的干涉作用明显促进了裂纹的扩展,多裂纹情况下的裂纹扩展速率远大于单裂纹。同时,利用FRANC2D/L计算和分析了单裂纹、多孔相邻裂纹、多孔不相邻裂纹和多孔等长裂纹等四种开裂模式的裂纹扩展行为及应力强度因子分布。结果表明,裂纹扩展初始阶段主要受孔自身应力集中影响,裂纹间的干涉作用弱;随着裂纹扩展到一定长度时,裂纹间的干涉作用显著增大,且随着裂纹间韧带长度的减小而快速增加,与试验结果一致。     

基于损伤理论的钢筋混凝土结构裂缝分析

依据裂缝开展与受拉损伤演化之间的内在联系,提出了基于损伤变量估计裂缝宽度的基本方法.将模型与损伤本构关系以及非线性有限元方法结合,可以精细地描述钢筋混凝土构件在外力作用下的非线性行为,特别是裂缝开展规律.与试验结果的对比表明,该方法不但具有良好的精度,而且能够描述构件非线性发展全过程中裂缝产生和扩展的规律.基于该方法精细分析混凝土结构中裂缝产生和发展的过程,可以为实际工程的分析和设计提供有力的依据.     

多处损伤LY12 CZ铝合金加筋板疲劳裂纹扩展研究

进行了多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的疲劳裂纹扩展的分析与试验研究.给出了典型的随机载荷谱下铝合金加筋板多裂纹扩展的预计方法.用组合法和类比法计算多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的应力强度因子.考虑每个载荷循环裂纹之间的相互作用影响,以Walker裂纹扩展公式和Willenborg-Chang裂纹扩展公式为基础,用循环续循环进行裂纹累积,用虚拟施加剩余强度载荷和裂尖韧带塑性区连通判据确定临界裂纹尺寸.进行了恒幅谱载荷及程序块谱载荷下加筋板多裂纹的扩展试验研究.对比了铝合金多裂纹扩展的分析预计结果和试验结果,对比结果表明,预测的寿命与试验结果吻合较好.     

多处损伤含孔结构随机裂纹扩展寿命预测

首先基于LY12CZ铝合金平板的中心裂纹扩展速率试验,考虑裂纹扩展速率的随机性,采用三参数对数正态分布表征Paris公式参数的分布特性,建立了LY12CZ随机裂纹扩展分析方法。利用Monte-Carlo法模拟裂纹扩展的随机性,进一步建立了多处损伤(multiple site damage, MSD)含孔结构随机裂纹扩展寿命预测模型,并将模型程序化。通过算例验证分析,该模型能够较准确预测多处损伤含孔结构裂纹扩展寿命,得到结构的失效概率,为含孔结构的MSD评估提供有效的工程分析方法。     

混凝土断裂韧度及临界裂缝尖端张开位移--基于虚拟裂缝模型的分析

将虚拟裂缝模型与线弹性断裂力学相结合 ,利用楔入劈拉试件在实验中测得的最大荷载Pmax及对应的裂缝口张开位移CMODc,求得了混凝土裂缝亚临界扩展量Δac 的解析解 ,据此计算了最大尺寸为 12 0 0mm× 12 0 0mm× 2 0 0mm的楔入劈拉混凝土试件的起裂断裂韧度KsIc、失稳断裂韧度KeIc及临界裂缝尖端张开位移CTODc 研究结果表明 ,随着试件尺寸的增加 ,Δac 增大 ,但其增长幅度明显减小 ;而KsIc、KeIc、CTODc 却是与试件尺寸无关的断裂参数 因此 ,双K断裂准则可很好地描述混凝土裂缝的起裂、稳定扩展及失稳破坏过程     

反平面残余应力作用下压电体界面裂尖分析

研究了在反平面残余应力作用下,双相压电体界面裂纹的裂纹尖端撕开位移COD和裂纹尖端位错塞积群的数量问题.运用Riemann-Schwarz解析延拓技术与复势函数奇性主部分析方法,获得了该问题的一般解答.数据结果表明,压电效应对界面裂纹尖端撕开位移和裂纹尖端位错塞积群的数量的影响不大,可以忽略不计,两种材料属性的差异对界面裂纹尖端撕开位移和裂纹尖端位错塞积群的数量的影响比较明显.     

裂纹尖端弹塑性分析方法探讨

根据HRR理论以及薛大为提出的简化理论,给出了一种对平面应变Ⅰ型裂纹尖端进行弹塑性分析的方法,并根据此法得出了完全近似解。     

树脂基复合材料裂尖损伤的直接观察与分析

用扫描电镜对ＥＮＦ试样在加载及保持过程中裂尖损伤的萌生、演化过程进行了原位观察研究．结果表明石墨／环氧复合材料ＡＳ４／３５０２裂尖损伤的微观机制是微裂纹的萌生、长大及合并．裂尖损伤区内经历的微损伤过程增加了材料的裂纹扩展抗力而使材料得到韧化．