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。     

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。     

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.     

接触载荷作用下的表面裂纹分析

用边界积分方法分析了表面裂纹在接触载荷作用下的张开位移和应力强度因子，该方法将埋在无穷大弹性介质中裂纹模拟为连续分布的位错环，根据两个位错环之间的相互作用能可以得到弹性体的应变能，对弹性体的势能取极值，可以得到关于裂纹张开位移的边界积分方程，通过把半空间的边界模拟成一个包含在无穷大弹性介质中大裂纹，该方法能用已有的边界积分方法很好的处理具有任意表面形状的表面裂纹，文中算例分析了不同倾角的表面裂纹在法向和切向接触载荷作用下，裂纹尖端的应力强度因子，其结果对于分析路面表面裂纹的扩展具有重要意义。     

电触头表面裂纹形成及扩展的能量平衡方程

采用不同电流等级及不同触头闭合压力,对银基触头材料表面的裂纹扩展现象进行了分析研究。建立了电弧作用下电触头表面裂纹形成及扩展的能量平衡方程在此基础上,给出了电触头在电弧能量和触头闭合压力双重载荷作用下裂纹产生与扩展的临界条件。     

高速列车制动盘表面裂纹的扩展特性

分析了制动盘在运行过程中的载荷特征,采用有限元法模拟制动盘在不同制动工况下的热应力分布,发现反复制动形成的拉压应力循环是裂纹扩展的主要驱动力.依据制动盘裂纹剖面的形状特征,采用三维裂纹扩展软件FRANC3D建立了裂纹扩展模型,研究了盘面裂纹的应力强度因子随裂纹长度的变化规律.结合疲劳裂纹扩展理论和裂纹扩展门槛值,估算了临界裂纹尺寸和扩展寿命,以及不同裂纹尺寸扩展到临界长度时的运营里程.研究结果可为制动盘裂纹容限的制定提供参考.     

缺口试件在压缩循环载荷下的疲劳行为研究

主要研究锐缺口在压－压缩载荷下的裂纹扩展规律。为了探讨索缺口试件在压循环载荷下裂纹扩展规律，首先进行了试验研究。试验结果表明在等幅压循环载荷下裂纹可以扩展，但其扩展速率是逐步降低的，并最终发生休眠。     

分子动力学模拟α-Fe拉伸与疲劳裂纹扩展机理

采用分子动力学模拟方法研究了含(010)[001]和(0-11)[100]型中心裂纹的金属α-Fe分别在拉伸与疲劳载荷作用下裂纹扩展的微观机制.研究发现,在拉伸载荷作用下,(010)[001]型裂纹在钝化的基础上沿着{110}滑移面塑性扩展;(0-11)[100]型裂纹尖端位错沿(011)面发射,裂纹沿(110)表面脆性解理扩展.在循环载荷作用下,(010)[001]型裂纹尖端位错沿着{111}110滑移系扩展,裂纹在裂尖应力集中作用下,沿之字形快速扩展;(0-11)[100]型裂纹扩展方式与拉伸失效时基本一致,裂纹在(110)面内发生快速的脆性解理扩展.两种裂纹扩展过程中都有层错和位错的共同作用.研究表明,(110)表面的表面能最低,是α-Fe的最优解理面.     

受弯三维表面疲劳裂纹的弹塑性贯穿举动

采用作者等先前提的Ｊ－积分的半经验公式进行理论计算和预测。探讨了高温环境中受弯曲载荷作用下构上的三维半椭圆表面疲劳裂纹的贯穿举动，分析了表面裂纹与背面裂纹的合体规律，并进行了实验验证。     

921A钢焊接接头在腐蚀疲劳下表面裂纹扩展规律

本文对921A钢焊接接头在海水腐蚀环境下受弯曲疲劳载菏作用时表面裂纹扩展规律进行了试验研究.试探了表面半椭圆裂纹的预制方法和在腐蚀环境中的疲劳刻痕技术;拟合了表面裂纹扩展的形状函数a=f(c)和裂纹扩展速率;得出表面裂纹长度与深度之间的关系.     

电触头表面裂纹扩展机理研究

采取不同电流等级及不同触头闭合压力,对银基触头材料表面的裂纹扩展现象进行了分析研究．通过实验分析证实,电弧能量和触头闭合压力是造成触头材料表面产生裂纹的重要原因．同时,给出了触头材料在电弧能量和触头闭合压力双重载荷作用下裂纹产生与扩展的条件．     

频率对BG-P110油管钢腐蚀疲劳裂纹扩展的影响

油管服役工况下,受腐蚀介质和交变载荷的共同作用,腐蚀介质腐蚀油管内外壁而产生表面结构不连续。当有拉伸、弯曲、振动载荷出现时,表面结构不连续处会产生应力集中,发生腐蚀疲劳断裂失效。以宝钢BG-P110油管材料为对象,通过不同载荷频率下的疲劳和腐蚀疲劳裂纹扩展试验,分别测量大气和3.5 wt%Na Cl环境下的疲劳裂纹扩展速率。结合断口形貌和成分分析,分析频率对BG-P110油管材料腐蚀疲劳裂纹扩展的影响。交变载荷相同时,腐蚀环境加快BG-P110油管的疲劳裂纹扩展速率;腐蚀环境相同时,频率越低BG-P110油管疲劳裂纹扩展速率越大。     

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。     

疲劳裂纹在TA2板中扩展及超载迟滞效应的实验研究

以中心裂纹拉伸M(T)试样为试件,研究了TA2钛板中Ⅰ+Ⅱ复合型缺口裂纹在不同载荷条件下的扩展情况,重点研究了在恒幅载荷和超载载荷下新裂纹的起裂、扩展和迟滞。结果发现在TA2材料中,从I+II复合型缺口裂纹尖端起裂的新裂纹是以Ⅰ型裂纹型式向前扩展的,并且与缺口裂纹取向以及是否受到超载无关;裂纹疲劳扩展速率和Ⅰ型应力强度因子变化幅之间的关系符合Paris公式;经过超载后,裂纹在TA2材料中的起裂和扩展难度显著提高,而且裂纹越短,超载迟滞效应越明显,超载后在裂纹尖端附近形成的残余压应力塑性区是产生超载迟滞效应的原因。     

压力容器疲劳加载下埋藏裂纹扩展规律的研究

针对压力容器埋藏裂纹扩展过程中其几何形状变化难以确定的问题,运用Newman和Raju方法获得裂纹前沿的应力强度因子,并结合Paris公式得到不同裂纹的深度与长度变化的关系式.同时,通过将椭圆形裂纹前沿离散化成为距离相等的多个点,并使用Simpson求积法,获得不同材料压力容器埋藏裂纹在循环载荷作用下埋藏裂纹的几何形状变化关系.结果表明：在拉力作用下,埋藏裂纹的疲劳扩展总是趋向于最优扩展路径的方向扩展.初始裂纹深长比和指数m越大,则收敛于最优扩展路径的速度越快,即形成近似于圆形的趋势更快.     

一个双向载荷下弹塑性裂纹稳定扩展的分析方法

本文提出了一个用相对准则分析双向载荷下弹塑性裂纹稳定扩展的方法。首先,由单向载荷裂纹稳定扩展试验所得到的外载荷与裂纹扩展量的关系曲线进行模拟裂纹稳定扩展的“产生型”数值分析,得到有关参量与裂纹扩展的关系曲线,然后选择计算得到的参量值作为相对准则,再对双向载荷下裂纹稳定扩展问题进行“应用型”分析,最后得到双向载荷作用下外载荷与裂纹扩展量的关系。文中运用上述方法,分别选择裂纹张开角 COA 和 J 积分作为相对准则,对一个铝合金中心裂纹试件在双向载荷作用下的裂纹稳定扩展问题进行了分析。计算所得结果表明,运用此法分析双向载荷下的裂纹稳定扩展问题是可行的且双向载荷对裂纹的起裂载荷及整个稳定扩展过程都有影响,尤其在双向载荷比λ<0(λ=P_x/P_y)时,更为明显。     

透明脆性材料预制裂纹压缩破坏机制试验研究

自然界中的岩体含有大量的原生裂纹,这些裂纹在外载作用下扩展和相互贯通最终导致岩体失稳破坏。由于真实岩石为不透明材料,观察研究其原生裂纹的扩展演化机制十分困难。最新研制了一种新型材料;该材料透明度高,且具有很好的脆性和单轴压缩剪涨性,可以作为模拟岩石的相似材料,在该材料内部及表面预制裂纹,观察分析预制裂纹不同赋存方式对材料破坏机制的影响。试验中清晰观察到次生裂纹萌生扩展各个阶段的形状及预制裂纹不同的赋存方式对材料破坏模式的影响,以及表面预制裂纹赋存深度与试件强度和次生裂纹裂最终扩展宽度的关系。试验所得的成果对于研究真实岩体的破坏机制具有重要的参考价值。     

基于Abaqus/Python的疲劳裂纹扩展分析研究

基于Abaqus的断裂力学参数计算功能,应用脚本语言Python自主开发出单一/复合载荷作用下飞机典型结构的疲劳裂纹扩展分析模块。该模块集参数化建模、有限元计算、损伤容限分析为一体,实现了单一裂纹或多裂纹的疲劳裂纹自动扩展仿真,避免了人工重复建模,能够直接获取常幅载荷或变幅载荷作用下结构的裂纹扩展路径及裂纹扩展寿命。通过与试验结果对比,验证了分析模块的可行性,为飞机结构损伤容限设计和分析提供分析支持和有力工具。     

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。     

金属薄膜裂纹扩展的分子动力学研究

研究了冲击载荷作用下金属薄膜表面裂纹扩展的微观机制,采用分子动力学方法对Cu薄膜进行模拟计算,求得冲击载荷作用下带有表面裂纹模型的系统动能、应力、应变及微观结构变化图.当系统从压应力转变为拉应力状态时,裂纹上的原子获得较大动能,裂纹尖端原子开始发生溅射,继而晶格内部出现空位.当拉应力达到364385MPa时,空位扩大形成裂尖钝劈现象,裂纹发生扩展.结果表明:在高速冲击载荷作用下,金属薄膜裂纹扩展主要原因是系统能量和应力的变化使得微裂纹尖端出现钝劈损伤.