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.     

锈损冷成型钢表面形貌及力学性能

为研究锈蚀对冷成型钢表面形貌特征和力学性能的影响,对工业环境下服役10 a的冷成型钢进行表面三维形貌扫描、单调拉伸试验和断口扫描,得到了锈蚀钢材表面二维和三维形貌图、锈蚀损伤参数、应力-应变曲线、力学性能指标以及微观断口形貌图,并分析了锈蚀损伤参数、力学性能指标的变化规律,最后建立了锈蚀冷成型钢材料本构模型.结果表明:随着锈蚀程度增加,钢材表面蚀坑数量减少且蚀坑形貌发生明显变化,均匀锈蚀所占比例、最大蚀坑深度逐渐增大,锈蚀钢材表面变得越来越粗糙;弹性模量、屈服强度、极限强度、断后伸长率随材料损失率的增加呈线性下降趋势,屈服平台变短甚至消失,宏、微观断口形貌变化明显,并且所建立的本构模型能够精准地反映锈蚀冷成型钢应力-应变曲线的变化趋势.     

高强钢丝蚀坑尺寸对应力集中效应的影响

斜拉桥拉索钢丝的力学性能对腐蚀极为敏感,腐蚀使钢丝表面产生的蚀坑会导致应力集中,削弱钢丝局部的疲劳抵抗能力,从而吸引疲劳裂纹从这里成核,这通常是斜拉桥拉索承载力和使用寿命降低的直接原因。为研究钢丝蚀坑尺寸的影响,基于数值模拟的方法,建立三维蚀坑模型来探讨蚀坑的长、宽、深对应力集中的影响。采用ANSYS建立高强钢丝的有限元实体模型,基于蚀坑的不同尺寸比例,即蚀坑深宽比、长宽比,模拟了深窄形和开放形蚀坑。通过有限元软件计算所得数据拟合出蚀坑尺寸因素与应力集中系数的曲线,根据所得曲线,拟合出蚀坑处应力集中系数随不同尺寸比变化的近似计算公式。基于蚀坑的应力分布图和应力集中系数随尺寸比的变化规律,探讨了蚀坑的长、宽、深对应力集中效应以及蚀坑处应力分布的影响,并横向比较了3个尺寸因素对应力集中效应的影响程度,结果表明,高强钢丝应力集中系数会随蚀坑深宽比或宽深比的增加而增加,而随蚀坑长度的增加而减小。此外,蚀坑长度的变化对高强钢丝应力集中系数的影响最为显著,蚀坑深度次之,而蚀坑宽度的影响最弱。     

锈蚀钢筋蚀坑特征分析及其对力学性能的影响

通过对126根锈蚀钢筋进行拉伸试验,研究了蚀坑特征及其锈蚀后力学性能。研究发现,锈蚀钢筋最大名义屈服强度较标准试件提高了7.65%,伸长率下降最大可达52.94%;锈蚀钢筋拉伸试验后断口形态为锯齿式断口和劈裂式断口;蚀坑最大深度、宽度、长度分别不超过8,15,16mm,并且三者的对数值与质量锈蚀率呈线性关系,深宽比与质量锈蚀率呈指数关系。还建立了与深宽比均值相关的名义屈服强度的退化模型和计算模型。     

应力水平对2219铝合金腐蚀损伤力学性能的影响

为明确应力水平及暴露时间对2219铝合金腐蚀损伤力学性能的影响,选择在不同应力水平作用下暴露于EXCO腐蚀溶液中,经不同时间加速腐蚀后的2219铝合金试样,开展表面蚀坑深度测量、力学性能测试、拉伸断口形貌观察试验。结果表明,应力水平、暴露时间都是影响试样应力腐蚀损伤发展从而影响材料力学性能变化的重要因素。在腐蚀的初期阶段,即0.0~1.5 h,应力水平因素的影响有限;当暴露时间大于等于2.0 h,应力水平引起的以蚀坑平均深度为表征的腐蚀损伤更加显著。但在试验时间（2.5 h）内,应力水平对腐蚀损伤所产生的影响小于暴露时间,因而对材料力学性能变化的影响也小于暴露时间。腐蚀损伤造成的点蚀坑、微裂纹破坏了材料的连续性,使试样材料的抗拉强度、延伸率、弹性模量等力学性能指标下降,是促使材料在拉伸试验中没有经过充分的塑性变形阶段就发生瞬间断裂的重要原因。深度大的点蚀坑、微裂纹,可能成为断口主裂纹的起源。     

三轴应力场中空穴扩张临界值与材料的微观断裂延性

选用一种球化碳钢的轴对称光滑和不同缺口拉伸试样研究了材料在三轴应力场中的宏、微观断裂延性。基于不同应力三轴性水平下空穴扩张与聚合的特性,给出了一个新的材料微观断裂延性表达式。结合空穴扩张的临界尺寸与断口韧窝几何的三维测量结果,证明了在不同的三轴应力水平下,材料微观断裂延性与实测宏观断裂延性之间均有着良好的一致性。从而揭示了材料断裂延性随应力三轴性水平升高而下降的微观机理。     

对JIC断裂准则的一种改进

基于近年来在裂纹尖端塑性内应力应变分布、损伤和断裂的塑性消耗特征等方面的所做的研究工作,对传统断裂准则进行了改进,提出了一种考虑了构件几何及应力三轴性的新的断裂准则。由一系列几何尺寸的紧凑拉试验的验表明,理论预言与实验测量结果符合得委好。     

WCF－62钢微观断裂过程的研究

采用不同裂纹深度试样及不同类型缺口试样对ＷＣＦ－６２铜下平台及转变区的微观断裂过程进行了研究。在下平台区，断裂为应力控制的Ｋ主导过程，裂纹及缺口试样解理的临界过程分别为第二相尺寸及贝氏体束宽度的微裂纹向周围基体的扩展。在转变区，随延性裂纹扩展，裂端三轴应力度增加，裂端主应力的提升由应力强化与应变强化两个因素决定，延性裂尖宽度变化及解理点在裂尖前的分布均具有随机性，从而导致韧性值的分散。     

化学-力学耦合作用下混凝土内钢筋蚀坑的演化及分布规律

基于概率与统计知识,对化学-力学耦合作用下钢筋蚀坑的演化及其分布进行研究.结果表明氯盐侵蚀下钢筋蚀坑的演化可分为3个阶段:微观非稳态点蚀形核、细观亚稳态蚀坑、宏观稳态蚀坑.单一氯盐腐蚀作用下形成的宏观稳态蚀坑深度相对较小,而拉应力的引入将加剧钢筋表面化学/物理性质的不均匀,从而导致宏观稳态蚀坑深度较大.在氯盐及其与拉应...     

随机点蚀对Q460等边角钢抗拉性能的影响

为了揭示点蚀损伤对构件破坏模式和极限承载力的影响机理,完善腐蚀角钢构件的力学性能评估体系,基于腐蚀试验数据和数值模拟,提出针对随机点蚀角钢构件的有限元模型构建方法,研究腐蚀损伤体积、蚀坑尺寸和蚀坑分布位置对Q460点蚀等边角钢构件极限抗拉承载力的影响,并根据其极限抗拉承载力劣化规律,采用非线性回归的方式拟合了点蚀角钢极限抗拉承载力的折减公式.结果表明,随机点蚀角钢的极限抗拉承载力退化整体上与腐蚀损伤体积呈正相关,蚀坑半径和蚀坑分布位置对承载力的影响较小,但蚀坑深度和蚀坑分布范围的影响不容忽视,拟合的点蚀角钢极限抗拉承载力的折减公式较刚度折减法和厚度折减法误差更小,准确度较高,可见其适用于点蚀角钢构件极限抗拉承载力的计算,可以应用到实际工程分析中.     

应力状态在2024-T351 Taylor杆断裂行为数值预报中的作用

近期研究表明,部分金属材料的延性断裂与应力三轴度及Lode参数同时相关.将近期文献中提出的包含Lode参数影响的断裂准则（MMC）写入有限元程序ABAQUS,用于2024-T351 Taylor杆断裂行为的数值预报.为揭示应力状态的影响,同时还采用仅考虑应力三轴度影响的两个断裂准则（JC和BW）进行有限元计算.将计算结果与试验进行了对比.对比表明,仅用轴对称圆棒试样单向拉伸试验数据标定的JC准则过高估计了材料在其他应力状态下的延性,低估了Taylor杆的断裂行为;BW准则预报了弹体头部中心断裂而与试验不符;MMC断裂准则可预报出合理的裂纹形式.     

随机点锈蚀下圆形钢管轴压承载能力

针对随机点锈蚀对圆形钢管轴压承载能力的影响,以质量损失率为因变量,研究轴压承载力在随机点锈蚀影响下随质量损失率的变化规律。通过引入轴压承载力折减系数,揭示了锈蚀深度、锈蚀坑平面尺寸、钢材等级以及钢管壁厚对折减系数的影响规律。在大量随机有限元分析的基础上,提出了折减系数的理论计算公式。该公式可根据质量损失率精确预测钢管在随机点锈蚀影响下钢管轴压承载力的折减系数。     

点蚀损伤船体板格单轴压缩极限强度

为了能够简单准确地计算服役期内点蚀损伤船体板格的极限强度,选择腐蚀体积为点蚀损伤板的主要评估参数,结合实际船体板格的腐蚀损伤特点,采用有限元数值计算方法,分析点蚀坑形状、有限元单元类型、蚀坑分布和蚀坑深度对板极限强度的影响,以及板的初始柔度、初始变形、长宽比和板边缘线性载荷因子对板极限强度折减因子的影响,并利用回归分析方法,建立了基于腐蚀体积的点蚀损伤船体板格极限强度折减因子的计算公式.结果表明,整套公式的计算结果与有限元计算结果的相对误差仅有极少量在5%,~6%,之间,绝大部分在5%,以内,可用于服役期内点蚀损伤船体板格的安全评估.     

单调荷载下钢材延性断裂损伤因子模型及参数校准

为提高钢材断裂模型的通用性和实时性,采用延性损伤因子概念,分别建立了基于VGM的VGM-DDF断裂模型和基于Johnson-Cook的JC-DDF断裂模型.结合不同槽口半径光滑圆棒试件的单向拉伸试验和有限元分析,研究了不同试件加载过程中应力三轴度和等效塑性应变的关系,并对国产Q235钢在单调荷载下延性断裂损伤因子模型参数进行了校准.采用校准后的断裂模型计算了各试件断裂损伤因子值,利用Abaqus软件对钢材断裂进行全过程模拟,并对不同的单元网格尺寸模型进行分析.结果表明:损伤因子模型的有效性得到验证,且JC-DDF模型离散性更小;断裂后荷载位移模拟曲线与试验曲线具有较好的吻合度;有限元单元网格尺寸影响断裂预测精度,并建议网格尺寸取0.25 mm.     

双点腐蚀缺陷管道剩余强度的有限元分析

以X60管线钢双点腐蚀缺陷管道作为研究对象,根据油气管道的本身特点以及腐蚀机理,借助ANSYS有限元分析软件,考察双点蚀缺陷管道应力云图分布规律,通过改变双点蚀缺陷半径、深度和腐蚀间距,考察其对剩余强度和等效应力的影响规律.结果表明,最大等效应力出现在双点腐蚀缺陷周围区域;随着内压的增大,在未达到屈服极限时,等效应力与内压呈线性关系,当等效应力达到屈服极限时,随着内压的增加,等效应力维持不变,当等效应力超过屈服极限时,随着内压的增大,等效应力增加;随着双点蚀缺陷半径的增大,剩余强度呈增加的趋势,安全性提高;随着双点蚀缺陷深度的增加,剩余强度呈减小的趋势,安全性降低.所得结论对油气管道腐蚀与防护有一定的指导意义和参考价值.     

钢筋宏电池腐蚀锈坑的二维模型及其断裂性能

钢筋的疲劳断裂行为与其裂纹周边的局部性能密切相关,为了研究产生宏电池腐蚀后钢筋的疲劳断裂性能,本文在试验研究的基础上提出了钢筋产生局部锈蚀后纵向锈坑尺寸的二维模型;基于理论分析得到了用于表征钢筋局部锈坑处Ⅰ型裂纹端点区域应力应变场强度的应力强度因子表达式.     

减顶泵泵轴断裂原因分析

通过对断裂泵轴的化学成分、机械性能、金相组织以及蚀坑内的腐蚀产物等方面的分析,表明在有腐蚀存在时,泵轴的圆角过渡表面处截面尺寸的突变,且过渡表面处的圆角半径过小,在交变的旋转弯曲载荷作用下导致了泵轴的突然断裂。同时也提出改进意见。     

密柱-钢板深梁结构抗震性能试验研究

提出了一种内藏密柱-钢板深梁混凝土组合剪力墙,密柱-钢板深梁为其核心钢构.为研发高性能密柱-钢板深梁结构,对4个具有不同设计参数的试件进行了低周反复荷载试验.试件的密柱分为方钢管混凝土、圆钢管混凝土、工字钢3种截面,钢板深梁分为Q235,Q345两种钢材,试件剪跨比为1.5.基于试验,分析了各试件的承载力、刚度及退化过程、延性、滞回特性、耗能、损伤与破坏过程,提出了密柱-钢板深梁结构承载力计算模型,计算结果与实测结果符合较好.研究结果表明:"强密柱、弱钢板深梁"型结构可实现延性屈服机制;密柱截面用钢量相同时,采用圆钢管混凝土密柱的结构性能最好;与采用Q345钢板深梁的结构相比,采用Q235钢板深梁的结构虽承载力略小但延性更好;密柱-钢板深梁结构具有良好的抗震性能和延性屈服机制.     

锈蚀断丝对拉索力学性能影响的数值研究

钢丝锈蚀、断裂损伤是影响拉索力学性能的主要因素.首先,建立了钢丝径向、索长方向锈蚀损伤分布模型;然后,基于锈蚀钢丝断口形态,分析锈蚀及荷载联合作用下钢丝断裂规律,建立了基于应力强度因子的锈蚀钢丝断裂准则;最后,考虑钢丝间摩擦作用,采用有限元法对拉索钢丝锈蚀、断裂过程进行模拟,研究了拉索中钢丝逐层锈蚀断裂对拉索力学性能的影响.结果表明:拉索钢丝锈蚀断裂后,钢丝应力重分布,断丝对拉索钢丝应力的影响沿截面径向逐渐减小,紧邻断丝层的锈蚀钢丝应力增幅最大,最内层钢丝应力增幅最小;由于钢丝间摩擦作用,断丝应力在恢复长度内呈对数形式恢复且基本同步;恢复长度随断丝百分比增大而增大,与断丝百分比呈二次抛物线关系,并将收敛于3. 3m;拉索索力损失率随断丝百分比增大而增大,拉索少量钢丝的锈蚀断裂对索力影响较小,当拉索锈蚀断丝百分比小于10%时,引起的索力损失率小于4%.     

石油储罐腐蚀破坏原因分析

本文分析了 A3钢制石油储罐的破坏原因。结果表明,失效属湿硫化氢介质中的氢诱发开裂,主要失效表现为铜板表面脱碳,点蚀和晶间应力腐蚀。讨论了应力对腐蚀形态及其转化的影响。还对容器钢板因氢损伤导致的弹性模量和塑性韧性损伤进行了评述。