钢结构疲劳裂纹合理止裂孔形状研究

为了提高钢结构疲劳裂纹的钻孔止裂效果,研究了不同止裂孔形状的止裂性能。通过建立二维平面有限元模型,对比分析了不同孔形下的孔边应力分布及应力集中效应,提出了一种结合直线与圆曲线的腰圆形止裂孔(近跑道形状),并分析了其打孔参数对止裂效果的影响,得到了腰圆孔打孔参数设计方法。结果表明,增大腰圆形止裂孔的面积、减小圆弧半径能够进一步降低孔边应力集中,同时采用缓和曲线对该止裂孔的曲率突变位置进行过渡,能够改善止裂孔的受力性能,降低其应力突变,止裂效果更好。     

钢桥面板顶板角焊缝疲劳裂纹钻孔孔位分析

结合钢箱梁局部模型试件,针对顶板角焊缝处表面裂纹进行钻孔止裂,进行止裂孔孔周应力计算,分析了不同孔位对止裂效果的影响并提出了合理止裂孔位,最后结合实际工程中止裂孔孔径应用情况,研究了合理止裂孔位与孔径的关系。分析结果表明,止裂孔没有改变构件整体应力变化趋势,孔边存在很大的应力降,但有应力台阶现象;孔位在0.5D(D为孔径尺寸)更远后,裂尖与孔边之间出现高应力、大应力降连接段,合理止裂孔位为0.5D,孔径大小对合理孔位与孔径的系数没有影响;止裂孔在裂纹尖端外情形下,孔径较小时,最大应力点还在裂纹尖端,孔径较大时,最大应力点在裂纹侧孔边,且离裂纹尖端越远,孔两侧最大应力差越小。     

钢桥面板疲劳裂纹钻孔止裂分析及实验验证

对紧凑拉伸试样进行有限元分析,考察止裂孔边缘的应力分布情况,对比不同状况下裂纹尖端的力学特性,研究了孔径及附加孔对止裂效果的影响.结合钢桥面板局部模型实验,对开裂试件打孔止裂后进行疲劳实验,通过比较不同试件的疲劳寿命,对有限元分析结果进行了验证.分析和实验结果表明,经过止裂孔钻孔处理后,应力集中点位于试样预制裂纹直线延伸方向与止裂孔孔边缘相交处,相对于未打孔,裂纹尖端应力显著下降.裂纹尖端打孔止裂,能够提高构件疲劳寿命,且孔径越大,止裂效果越明显,孔径8mm以后,增大孔径所产生的止裂效果逐渐降低.不同孔径钻孔处理的疲劳试件,各阶段裂纹再次扩展速率相当,属于裂纹中速率扩展区,附加孔并没有影响裂纹扩展速率,但使疲劳寿命显著地提高.     

钢桥面板钻孔工艺对止裂效果的影响分析

考虑实桥顶板角焊缝疲劳裂纹止裂孔的钻孔角度、钻孔偏心角度和钻孔深度,建立了顶板与U肋有限元模型,得到了桥面板顶板顶面与底面止裂孔两侧的应力分布情况。从孔边应力与裂纹扩展速率两个方面,对比不同参数下的止裂效果,提出了钻孔工艺参数的建议范围。研究结果表明:为了避免加速裂纹扩展,建议钻孔角度为0°~25°;对于焊趾裂纹,为了保证止裂孔孔周应力分布均匀,建议钻孔偏心角度为-15°~30°;对于未贯穿止裂孔,钻孔深度较浅时,其内侧应力较大且底面应力分布不均匀。     

考虑附加孔效应的带止裂孔裂纹钢板补强效果

为进一步提升止裂孔的止裂效果,研究了附加孔及补强钢板组合作用下的钻孔止裂性能。通过建立带裂纹的1/4钻孔止裂模型,对比了不同附加孔角度、附加孔间距对止裂孔边应力分布的影响。在此基础上,分析了在附加孔的基础上粘贴补强钢板的可行性,并进一步研究了不同补强钢板布置形式、不同补强钢板厚度对钻孔止裂效果的影响。研究结果表明,附加孔角度为90°时对钻孔止裂效果的提升作用最明显。随着附加孔间距的降低,止裂孔边应力极值逐渐减小,但会逐渐产生新的应力集中区域。在附加孔的基础上粘贴补强钢板时宜确保补强钢板边缘与止裂孔、附加孔相切,且补强钢板的厚度宜为待补强钢板厚度的一半。     

高强螺栓止裂法修复含裂纹钢板疲劳受力性能

为了分析高强螺栓止裂法的止裂效果,首先基于带裂纹钢板的有限元模型探究孔径和螺栓预紧力参数对修复后钢板的应力分布和止裂机理的影响。随后对修复后的预裂钢板进行3组对比疲劳试验,评价了不同修复方法下的结构疲劳寿命,并与各国规范相关S-N曲线进行比较。分析和试验结果表明:采用止裂孔法和高强螺栓止裂法均能延长损伤钢板的疲劳寿命,但高强螺栓止裂孔修复效率更优,其延长结构寿命是单纯止裂孔修复的9倍以上。以测点应力发生突变为疲劳失效判据时,单纯采用止裂孔修复不足以满足各国规范规定的疲劳强度等级,而高强螺栓止裂孔修复组明显高于AASHTO中A类细节等级,具有优异的抗疲劳性能。     

钢桥疲劳裂纹钻孔止裂技术多孔布置方法研究

文章考虑双孔和附加孔2种多止裂孔布置,对开裂模型进行线弹性有限元分析,通过对比不同布置下模型的应力集中系数,研究多孔布置对于钻孔止裂法的影响。结果表明:双孔布置对应力集中的降低作用不如单止裂孔,但它会对疲劳裂纹的开展起到持续的抑制作用,在不能精确定位裂纹尖端时可以作为一种有效的备用方法;合理布置附加孔的直径与位置可以加强止裂孔的止裂修复效果,附加孔直径越大,与裂纹线间的垂直距离越小,效果越好;附加孔的最佳位置位于止裂孔前方,距离为止裂孔直径的1/4。     

钢桥面板横隔板-U肋焊缝裂纹修复后的应力特征

采用数值模拟的方法,建立不同疲劳修复方法的分析模型,针对止裂孔法和钢板补强法的疲劳修复效果进行了探究.通过提取两侧横隔板-U肋连接焊缝焊趾部位不同路径的Mises应力进行纵向对比,得到了该部位在维护前后应力的变化规律.研究结果表明:裂纹存在时,另一侧横隔板-U肋连接焊缝焊趾处的应力水平有明显提高;止裂孔法虽可以缓解裂纹尖端应力集中现象,但会增大另一侧该连接焊缝焊趾处的应力;钢板补强法可大幅降低裂纹尖端及另一侧连接焊缝焊趾处的应力水平,但被补强一侧钢板下缘会出现显著的应力集中现象.     

钢箱梁疲劳裂纹特征超声波检测方法试验研究

采用疲劳裂纹标准试件对钢箱梁疲劳裂纹长度、宽度、深度、倾斜角度及开裂位置等特征进行超声波检测试验,研究钢箱梁疲劳裂纹特征超声波检测方法。依据理论计算和试验结果,对比分析每种裂纹检测波形及回波参数,提出1/3测长法,给出测长法判断依据的理论解,与实际检测结果相符合;针对裂纹深度,提出裂纹深度检测的精度提高的方法;建立裂纹倾斜角度、开裂位置判定计算公式。分析面板与U肋焊缝处不同类型裂纹检测结果,给出裂纹距焊趾距离K计算公式,并由K建立焊趾、焊根、未溶透部位疲劳裂纹判别方法。研究结果表明:疲劳裂纹特征与回波参数存在一定的相关性,疲劳裂纹特征检测方法具有较好的准确性。     

压裂泵泵头体相贯线裂尖应力场及应力强度因子研究*

压裂泵泵头体作为油气压裂工艺的中的关键装备,直接决定了压裂技术的成败,影响油气开采效率和经济效益。针对现有泵头体相贯线处的疲劳开裂失效现状,建立了泵头体有限元分析模型和不同初始长度的圆形裂纹断裂模型,通过分析裂尖应力场和应力强度因子的分布规律。结果表明:内压作用下,泵头体整体仍处于弹性区,只有裂纹面前方两侧的45°~70°区域进入塑性区。相贯线处的裂纹类型虽然为Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合裂纹,但是仍然是I型裂纹主导,裂纹的起始位置位于两个内腔表面。不同裂纹长度,其应力强度因子分布规律基本一致;但是初始裂纹越长,裂纹越容易发生扩展。裂尖附近区域应力分布是影响裂纹起裂的关键因素,但泵头体两个相贯内腔半径也会影响裂纹起裂。通过分析泵头体裂尖应力场和应力强度因子,可以更好了解泵头体疲劳开裂原因和裂纹起裂位置,为泵头体的工程应用提供理论依据。     

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.     

含不同角度穿透裂纹板拉伸断裂的有限元模拟

对含不同预置角度穿透裂纹板受拉伸断裂过程进行了数值模拟.选用增量型弹塑性本构关系,采用自编有限元程序求解虚功原理方程,裂纹扩展参照了LS-DYNA商业计算软件处理断裂问题的单元失效方法,考核了不同幅值载荷和预置裂纹角度的影响,给出了不同时刻等效应力云图和指定点的应力、应变随时间变化曲线.计算结果表明:当应力波在板中传播时,会在裂纹尖端引起应力集中,板产生垂直裂纹和水平裂纹.垂直裂纹扩展垂直于加载方向,水平裂纹扩展平行于加载方向,两者均与预置裂纹角度无关.板上不同位置的应力变化仅和相对裂尖位置相关,而与预置裂纹角度无关.相对裂尖位置、与板边界距离和加载位置是影响应变随时间变化的主要因素.当载荷幅值较小时,不会出现裂纹扩展.当载荷幅值较大时,聚集在裂纹尖端的应变能需较长时间才能释放,这会影响水平裂纹的出现时间.     

止裂孔维修对中心裂纹板疲劳寿命的影响分析

以铝合金2024-T3的中心裂纹板为研究对象,根据结构细节疲劳额定值(DFR)法计算了不同裂纹长度及不同止裂孔尺寸下结构的疲劳寿命;并通过试验得到半裂纹长度分别为10 mm、15 mm和20 mm,止裂孔半径为2.5 mm和3.5 mm下的结构试验寿命,对比结果验证了该模型及对应方法的可行性;随后对裂纹长度/板宽(2a/W)在0.2~0.6、止裂孔直径/板宽(D/W)0.03~0.20范围内的疲劳寿命进行了预估。根据分析结果得到了止裂孔效果最佳时D/W与2a/W的线性关系式,为工程维修提供技术参考。     

整体加筋翼梁结构止裂性能研究

利用ANSYS软件,研究了整体加筋翼梁结构止裂筋位置和截面不同时的应力强度因子和裂纹扩展特性,为了便于比较,并对无止裂筋梁进行了分析。给出了不同止裂筋位置和截面宽厚比下的应力强度因子曲线,分析了止裂筋断裂后对整体加筋翼梁的影响。最后,在给定止裂筋重量条件下讨论了最优止裂性能筋条的宽厚比。     

高应力巷帮阶梯型卸压孔合理参数研究

为减少常规大直径卸压孔对巷帮稳定性扰动,针对阶梯型钻孔卸压方法,利用ABAQUS建立数值模型,综合考虑巷道围岩变形、垂直应力降低和应力峰值转移等因素,对比分析相同条件下常规大直径钻孔卸压和阶梯型钻孔卸压效果,讨论了阶梯型卸压孔不同组合长度、直径和钻孔间距等合理钻孔布置参数。结果表明：阶梯型钻孔卸压能很好降低巷帮附近围岩垂直应力,将应力峰值向深部转移,还能有效降低钻孔对围岩变形的影响,提高巷道结构稳定性。采用阶梯型钻孔卸压时,靠近巷帮小直径段的孔径不宜大于0.10 m,钻孔长度应小于应力降低区宽度;而深部大直径段的孔径宜大于0.30 m,且钻孔长度不小于围岩应力集中区宽度。卸压孔单排布置时,孔间距小于1.00 m时卸压效果明显。     

残余应力与拘束对GH4169合金疲劳及蠕变-疲劳裂纹扩展速率影响研究

为深入理解残余应力与拘束在疲劳载荷下的交互作用,以镍基高温合金GH4169为研究对象,选用紧凑拉伸(CT)试样,对不同拘束CT试样的上方施加不同大小的预加载荷从而在裂尖产生不同应力。将该应力作为残余应力,系统研究残余应力和拘束交互作用下GH4169合金的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率。结果表明：随着裂尖残余压应力的增加,不同拘束下GH4169合金的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率均降低。与低拘束试样相比,高拘束试样的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率对残余应力的变化更加敏感,这主要与裂尖Mises应力和垂直于裂纹扩展方向的正应力有关。与疲劳裂纹扩展速率相比,蠕变-疲劳裂纹扩展速率对残余应力的变化更加敏感。     

脉冲电流下对AL6061合金进行熔孔止裂与愈合的仿真研究

Al6061铝合金常应用于航空航天领域蒙皮制造,因其中等硬度与低强度的弱点,在承受复杂载荷时容易出现微裂纹,进而影响服役安全可靠性。脉冲电流是一种极速、非平衡的金属材料微小裂纹修复工艺,可以克服该材料不易焊接修复的短板。本文在既有的实验基础上建立单边预制裂纹缺口模型,采用有限元仿真手段,进行了热-电-力三场耦合数值模拟,计算不同参数下裂纹区域的电场、温度场和应力场分布。使用“生死单元”法模拟止裂熔孔的产生,并获得了不同几何、物理参数下止裂熔孔尺寸变化的规律。结果表明：焦耳热形成的止裂熔孔降低裂尖的集中应力,抑制裂纹扩展,裂纹区域高温区与基体常温区形成温度梯度相互约束产生巨大的热压应力促使裂纹宽度减小,进而直至愈合;初始熔孔尺寸与裂纹长度成正比、与板厚成反比,最佳尺寸直径为0.1mm以内;电流值和电流加载时间均能控制熔孔生长,电流值一定时,当时间达到0.12s形成的熔孔尺寸超出最佳止裂尺寸范围。研究成果为特定金属材料的裂纹止裂与愈合提供了机理参考和仿真方法。     

基于断裂力学和长期监测数据的钢箱梁桥顶板U肋焊缝疲劳可靠度分析

针对钢箱梁桥顶板U肋嵌补段对接焊缝的构造特点与受力状态,以润扬大桥钢箱梁为研究对象,基于线弹性断裂力学和长期监测数据,提出了该焊缝的疲劳可靠度分析方法.基于有限厚板半椭圆表面裂纹模型推导了焊缝的临界损伤累积函数,采用随机模拟的方法建立了临界损伤累积函数的概率模型.针对焊缝疲劳荷载效应的多峰分布特征,采用高斯混合分布建立了等效应力范围的概率模型.研究表明,顶板U肋嵌补段对接焊缝的临界损伤累积函数服从对数正态分布;焊缝等效应力范围的概率模型可表述为多个高斯分量的加权平均;润扬斜拉桥焊缝的疲劳可靠度显著大于相同位置的润扬悬索桥焊缝,反映了两桥钢箱梁局部构造的差异.该方法可为同类型桥梁的疲劳可靠度分析提供参考.     

16MnR钢中微裂纹的萌生及扩展

用宏观与微观相结合的方法,研究16MnR钢在低周疲劳下微裂纹的萌生与扩展规律。试样上分别钻有40—200μm的微孔,研究了微裂纹启裂、扩展和微缺陷尺寸对疲劳寿命的影响。结果认为,孔边裂纹启裂机理有两种方式:滑移带启裂和疏松带启裂。前者是由剪应力起主要作用,后者是正应力起主要作用。而滑移带的局部性和裂纹开叉是低周疲劳下微裂纹的两大典型现象。且微缺陷尺寸对疲劳寿命有显著影响,该影响随应力水平的增加而减小。     

钢箱梁疲劳裂纹气动冲击法维修效果评估

以实桥疲劳裂纹为研究对象,从应力和应力强度因子角度评估气动冲击维修方法的现场实施效果.对维修前后疲劳裂纹尖端附近的应力分别进行24 h数据采集,并采用雨流计数法,探讨裂纹尖端应力幅的变化规律.结合应力强度因子测试理论,对比研究裂纹尖端应力强度因子幅的变化规律.研究结果表明:本测点疲劳裂纹为典型的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,维修后疲劳裂纹尖端张拉和剪切应力幅均得到有效降低,改善了裂纹尖端受力条件.高应力强度因子幅的循环次数显著降低,表明气动冲击维修技术对于制约复合型裂纹扩展具有良好效果.