中碳钢疲劳短裂纹萌生与扩展特性

试验研究了不同热处理状态的３５＃钢试样表面疲劳短裂萌生与扩展特性。结果表明：微结构尺寸及其分布特性对短裂纹萌生与扩展行为有较大影响；短裂纹萌生与扩展寿命可用Ｗｅｉｂｕｌｌ分布定量描述。     

40Cr钢的疲劳损伤机理研究

主要通过扫描电镜、电子探针对40Cr钢的疲劳损伤过程进行显微组织及成分分布分析．研究了鉴雾型筝萌生的位置、形状、扩展过程和扩展途径，确定出了微裂纹开始形成时的循环次数．发现裂纹易于在铬的富集区及铬的碳化物处萌生．     

服役U71Mn钢轨疲劳裂纹萌生及扩展分析

采用HV-1000型显微维氏硬度计、光学显微镜、扫描电子显微镜和能谱仪等手段,研究了服役后U71Mn钢轨表层力学性能、轨距角处的显微组织以及裂纹萌生和扩展机理.结果表明:钢轨表层轨距角处的硬化程度最严重,并且该区域沿列车运行方向呈现出较为严重的剪切塑性变形,裂纹容易在该处萌生.钢轨轨距角处的裂纹萌生受到表层切应力分布状态、表面摩擦因数以及表层夹杂物等的综合影响,钢轨表层受到循环应力的反复作用,在加工硬化的作用下材料局部发生硬化,塑韧性降低,另外钢轨表层有大量长条状的MnS夹杂物,这些因素都极大地促进了疲劳裂纹的萌生.轨距角处的裂纹沿着钢轨表层剪切塑性变形的方向扩展,主要方式是穿晶扩展,裂纹间隙中较多的氧化物对裂纹扩展有较大的促进作用.     

表面小裂纹热锻模的疲劳寿命分析

基于材料自由表面特性并考虑微观结构非均匀性,根据金属疲劳裂纹萌生的微细观过程理论,建立材料表面塑性应变分布模型。由于局部塑性变形在萌生可分辨疲劳小裂纹的循环周次中占主导地位,本文将局部应力应变法应用于热锻模表面小裂纹扩展分析,选取表面最大塑性应变作为出现热机械疲劳裂纹的预测依据,计算的热锻模使用寿命与实践结果相吻合,能基本预测热锻模寿命。该模型为表面强化工艺能提高热锻模的疲劳强度提供了理论依据。     

镍基高温合金GH4049高温疲劳小裂纹扩展规律的试验观察

对镍基高温合金GH4049在不同载荷与不同温度下疲劳小裂纹萌生和扩展进行了试验,利用复型技术和光学显微镜观测了裂纹尺寸演化全过程,发现高温疲劳损伤是一个多裂纹系统,且损伤起始于晶界,寿命前期是以裂纹萌生为主的均匀损伤,后期则为以裂纹扩展、合并为主的局部化损伤。     

16MnR钢中疲劳裂纹扩展的细观研究

采用显微疲劳试验方法和显微疲劳试验装置对低合金钢１６ＭｎＲ单边缺口试样进行了疲劳试验,研究了短裂纹萌生和扩展的特征。结果表明,短裂纹萌生及扩展分三个阶段,每一阶段的形貌都有其特点,在裂纹扩展后期,短裂纹的发展以裂纹密度不断增加并形成损伤区为主要特征,然后在损伤区选择一条主裂纹扩展。     

基于DBSCAN算法与GMM 理论的铝合金板孔边疲劳裂纹萌生监测

针对航空结构中多孔铝合金板在疲劳载荷作用下的孔边裂纹萌生监测问题,以光纤传感系统为基础结合小波分解、含噪声的密度空间聚类以及高斯混合模型,提出了一种孔边裂纹萌生监测方法。首先以光纤光栅传感系统采集循环加载条件下多孔铝合金板孔边裂纹萌生至结构断裂全程中孔边微应变并构建孔边微应变曲线。对孔边微应变曲线进行小波分解,得到微应变曲线的低频分量与高频分量,并以低频分量最小值及高频分量突变作为孔边裂纹萌生特征。在分析裂纹萌生时引入DBSCAN 算法与GMM 理论用于计算孔边裂纹萌生时的疲劳加载循环数并进行比较与分析得到多孔铝合金板孔边主裂纹的萌生位置以及孔边主裂纹裂纹萌生时的疲劳加载循环数。试验结果表明:此监测方法能够准确定位出孔边主裂纹的萌生位置,计算孔边主裂纹萌生时的疲劳加载循环数,且疲劳加载循环数计算误差在5%以内。在未来可应用于全机地面疲劳试验、结构健康监测等多种场景。     

摩擦系数对滚动接触疲劳裂纹萌生和磨耗影响

提出了疲劳裂纹萌生与磨耗共存发展离散化过程建模设想,根据临界平面法材料疲劳损伤理论和Archard磨耗理论,建立钢轨三维疲劳裂纹萌生与磨耗共存发展预测模型,分析轮轨接触位置的摩擦系数对曲线段钢轨表面疲劳裂纹萌生与磨耗发展的影响.结果表明,摩擦系数对接触斑面积、形状和位置无影响,但影响轮轨接触斑黏着区/滑动区的分布和切向应力状态;随着摩擦系数的增大,钢轨的平均磨耗发展率增加、磨耗量增大、裂纹萌生寿命减小,其中,摩擦系数从0.3增大至0.7时,外轨和内轨的平均磨耗发展率分别增大了约17%～55%、16%～42%,外轨和内轨的裂纹萌生寿命分别降低约24%～34%和18%～35%;随着摩擦系数的增加,外轨的裂纹萌生位置从轨面以下2.0～2.5mm处向亚表面0.9～1.0mm移动;内轨的裂纹萌生位置基本处于轨顶面下2.4～2.6 mm;轮轨接触位置的摩擦系数控制在0.3～0.4的范围,可以达到延长钢轨疲劳裂纹萌生寿命、减缓钢轨磨耗的目的.     

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。     

固态金属致脆裂纹的萌生与致脆原子输运机制

提出了利用锥形试样,以离子束增强沉积银实现银与试样表面接触,并通过慢应变速率拉伸加载,确定了Ｔｉ６Ａ１４Ｖ合金固体银致脆裂纹萌生应力,萌生应变、萌生寿命和裂纹扩展临界应力强度因子的方法。     

水平裂缝油藏整体压裂改造数值模拟研究

根据低渗透油藏注水开发的生产特点和水平压裂裂缝的渗流特征,考虑到油藏非均质和各向异性、裂缝导流能力随生产时间的失效性以及不同井网类型等因素的影响,建立了三维油水两相的油藏和水平裂缝渗流数学模型,并构造了模型的高效数值算法。在此基础上研制了水平裂缝参数优化软件,通过计算不同裂缝半径和导流能力对油井产量、含水率、采出程度和最终采收率等指标的影响,优化合理的裂缝参数,用于指导现场的评价和设计工作。     

节理频度对类岩石介质裂纹扩展行为的影响

为研究节理频度对类岩石介质受冲击荷载作用时动态裂纹扩展行为的影响,借助新型数字激光动态焦散线实验系统进行了试验研究.结果表明:随着节理频度的增大,竖向裂纹起裂时的动态应力强度因子减小,但大于水平节理翼侧裂纹起裂时的应力强度因子;裂纹扩展至节理区域时,动态应力强度因子有一个交替震荡的过程,此过程持续时间随节理频度增大而延长;竖向裂纹从加载到起裂时间并不明显改变,但从起裂到试件贯通破坏的时间近似线性增长;竖向裂纹起裂后的速度随节理频度增大有所减小,但大于裂纹扩展通过节理区域后的速度.可见不同节理频度类岩石介质的裂纹扩展行为存在差异,为冲击荷载下岩石断裂破坏提供理论参考.     

重载货车钩舌裂纹应力强度因子分析

服役条件的恶化和铸造缺陷的存在导致重载货车钩舌大量出现裂纹.根据实际应用中钩舌裂纹的出现位置和宏观形态,建立了含裂纹的钩舌有限元模型.采用相互作用积分法分析了牵引面水平中心线位置处、水平中心线附近及沿水平中心线处裂纹前缘的应力强度因子,并结合裂纹区不同位置处应力的变化特征,分析了应力对裂纹应力强度因子的影响.结果表明,牵引面处裂纹前缘的应力强度因子与裂纹位置和裂纹形状比有关,且相对于裂纹尺寸,应力对应力强度因子的影响更大.     

水平井分段多簇压裂缝间干扰研究

水平井分段多簇压裂在现场得到了广泛运用,其压裂过程中普遍存在缝间干扰现象。缝间干扰有助于形成复 杂裂缝网络以提高储层导流能力,但是也会导致起裂困难,甚至形成砂堵。因此有必要对分段多簇压裂的缝间干扰问 题进行研究。对此,基于弹性力学建立了分析多簇裂缝诱导应力的数学模型,从起裂压力、裂缝宽度、簇间距等多方面 研究了缝间干扰对水平井分段多簇压裂施工的影响。模拟结果显示,诱导应力会导致起裂压力升高、裂缝变窄,严重 时将造成压裂施工失败。通过进行分析,给出了起裂过程及延伸过程中缝间干扰的影响关系。分析认为,利用缝间干 扰提高改造体积时应当控制簇间距防止对压裂施工造成负面影响。研究结论对优化水平井分段多簇压裂设计具有指 导意义。     

基于RFPA-3D的煤层钻孔水力压裂裂缝扩展规律数值模拟

水力压裂裂缝的几何形态是评价压裂效果的主要因素,煤层受割理、层理和天然裂隙的影响,非均质性较强,对于垂向主应力、最大水平主应力和最小水平主应力共同影响下的煤层水力压裂缝扩展规律还未形成系统认识。文章利用RFPA-3D数值模拟软件,研究非均匀分布的硬煤层和软煤层,在垂向主应力不变,不同水平主应力差下水力压裂三维裂纹的扩展过程和延伸规律,研究发现硬煤层水平主应力差接近时,水力压裂缝在煤层中延伸没有优势方位,形成网状缝;水平主应力差较大时,水力压裂缝主要沿最大水平主应力方向扩展,其他分支裂缝初始阶段沿着最小水平主应力方向延伸,随后逐渐向最大水平主应力方向靠拢。软煤层水力压裂初始阶段,注入段附近煤层以井筒为中心向四周挤压,煤层被挤压形成一个“大肚子”区域,待煤层挤压到一定程度,煤层开始起裂、裂缝扩展;水平主应力差接近时,注入段煤层压实后,起裂形成网状缝;水平主应力差较大时,注入段煤层压实后,压裂缝沿最大水平主应力方向以及与最大水平主应力方向成45°夹角方向产生两条优势裂缝。研究成果在安徽芦岭井田Y-01煤层气水平井组进行应用,日产气突破10 000 m3。     

径向井排引导水力压裂裂缝扩展机理研究

为探究径向井排系统对裂缝的影响，明确水力裂缝的扩展规律，利用扩展有限元理论建立了流固耦合三维裂缝扩展模型，模拟了受径向井排引导的水力裂缝扩展过程。重点分析了3种影响因素（径向井排方位角、水平地应力差、径向井孔径）对水力裂缝的引导机理。首次提出了"引导因子"的概念，并将其作为有效评价径向井排引导效果的量化参数。研究发现，径向井方位角、水平地应力差、径向井井径会对水力裂缝的引导效果产生影响：较小的径向井方位角、水平地应力差以及较大的井径都使径向井排具有较强的引导能力和较好的引导效果，反之亦然。同时，较大井径对增加水力裂缝宽度有明显作用。最后，利用大尺寸真三轴水力压裂模拟试验证实了数值模拟结果具有一定的准确性。     

硬脆性泥页岩渗流-应力耦合井壁坍塌压力计算方法

硬脆性泥页岩的井壁坍塌是制约我国油气资源战略向深部地层成功转移的重要技术瓶颈。建立了裂缝渗流-应力耦合作用下孔隙压力的计算模型,选用弱面破坏准则,综合考虑各向异性、裂缝产状、井眼轨迹、地应力、渗流应力的影响建立了硬脆性泥页岩井壁坍塌压力的计算方法,分析了裂缝渗流、井眼轨迹和裂缝产状对坍塌压力的影响规律。研究发现,钻井液沿裂缝渗流导致坍塌压力升高,渗流初期坍塌压力升高较快,随时间推移,升高量逐渐逐渐减小;在高倾角裂缝中沿裂缝倾向钻进水平井坍塌压力较低。改善钻井液的封堵性、流变性和润湿性,减缓钻井液沿裂缝面的渗流,避免在坍塌压力较高的区域钻井,是该类地层安全钻井的关键。     

不同形状地质断层对应力波传播影响的试验研究

首次用动态光弹性试验模拟研究了地质断层对应力波的影响及相互作用 ,比较分析了冲击荷载作用下水平和 30°方向的裂缝的动态响应 ,得到指定点处的条纹级数 -时间关系曲线图 ,研究了结构物顶部震塌的机理 ,为防护结构的改进提供了参考。     

冲击荷载下Ⅰ型裂纹与圆孔缺陷相互作用

采用数字激光动态焦散线和超动态应变测试系统,对含圆孔缺陷的有机玻璃板三点弯曲梁进行冲击断裂实验,开展Ⅰ型扩展裂纹与不同直径圆孔缺陷相互作用实验研究。结果表明：冲击载荷下预制裂缝尖端焦散斑不断增大,圆孔缺陷左、右边缘应变片测点表现出竖直受压、水平受拉的应力状态。裂纹起裂后沿直线扩展,主要表现为Ⅰ型断裂。初始裂纹扩展速度和动态应力强度因子大小相似,变化趋势相近,应变片测点水平和竖直方向均表现出拉应力状态。初始裂纹与圆孔缺陷贯通时止裂,贯通瞬间应变片测点的水平和竖直拉应力均达最大值。随着圆孔缺陷直径增大,次生裂纹起裂速度和起裂韧度均变大,起裂难度增高。研究结果为揭示动荷载下含缺陷岩石断裂机理提供借鉴。     

坚硬顶板砂岩水力压裂裂缝扩展规律分析

为探究不同因素对水力裂缝扩展行为的影响,以塔山煤矿坚硬顶板砂岩为研究对象,采用扩展有限元法模拟裂缝扩展过程,分析了水平应力比、抗拉强度、泊松比、间隔时间、注液速率和裂缝间距对裂缝扩展行为的影响。结果表明：单裂缝扩展时,应力比和泊松比越大,抗拉强度越小,越有利于裂缝延伸,且稳定扩展压力越小;应力比和泊松比越小,抗拉强度越大,越有利于裂缝张开;注液间隔时间对裂缝扩展影响较小。双裂缝扩展时,注液速率和裂缝间距越大,越有利于裂缝延伸;注液速率越大和裂缝间距越小,越有利于裂缝张开;注液速率减小,裂缝间距增大,稳定扩展压力减小。针对坚硬顶板砂岩的水力压裂,此研究可为煤矿现场设计与施工提供参考和借鉴。