Ⅰ—Ⅱ复合型裂纹亚临界扩展研究

对两种工程材料ＬＹ１２－ＣＺ铝合金和１６Ｍｎ钢的薄板斜拉伸试件进行了裂纹扩展试验研究，提出了用当量裂纹法预测Ｉ－Ⅱ复合型裂纹亚临界扩展寿命的方法。实验结果表明，当量裂纹法预测复合型裂纹疲劳寿命的方法简单可行。     

基于边界元法的疲劳裂纹扩展模拟

用数值方法模拟疲劳裂纹扩展对预测构件残余寿命具有重要意义。该文以基于子域法边界元分析的一点面力法解决了裂纹扩展全过程的应力强度因子精度问题．用坐标变换法导出了Ⅰ－Ⅱ型复合裂纹最大周向应力准则的扩展偏角和有效应力强度因子；建立了复合型裂纹疲劳扩展数值模拟算法，并在ＳＧＩ工作站上研制了具有裂纹构形自动更新和动态图形显示功能的模拟演示软件，该软件对试件裂纹扩展模拟的结果与试验结果一致，说明该文方法具有高     

平面复合型疲劳裂纹扩展问题

本文要解决的是平面复合型疲劳裂纹扩展方向以及疲劳寿命的预测问题。主要内容如下: 1.提出“等双剪应力线上δθmax平面复合型裂纹开裂判据”。与其它判据相比较;本判据所预测的裂纹开裂方向更接近于疲劳裂纹扩展试验的结果。2.文中指出:是Z形裂纹的分支方向,而不是其主裂纹方向,在Z形裂纹的KⅠ,KⅡ值中起着支配性的作用。接着提出二个计算Z形裂纹应力强度因子的近似方法。3.为预测复合型疲劳裂纹扩展的寿命,文中提出了一个新的裂纹扩展速率表达式,即折合张应力强度因子指数公式。此式所预测的寿命较接近于实验值。最后,还讨论了应用主应力强度因子K*,应变能释放率G,应变能密度因子S,预测复合型疲劳裂纹扩展的寿命问题。     

材料构型力驱动的复合型疲劳裂纹扩展行为研究

基于材料构型力断裂准则,提出了一种描述复合型疲劳裂纹扩展规律的新模型,该模型不仅能够预测复合型裂纹的扩展路径,而且可以计算裂纹扩展寿命。以该模型为基础,对疲劳问题中的复合型裂纹扩展失效问题进行了研究。首先,根据材料构型力理论,建立了复合型疲劳裂纹扩展模型,开发了构型力的有限元计算程序,实现了疲劳裂纹扩展的数值计算;其次,采用构型力驱动准则,对Ⅰ型和I-II复合型疲劳裂纹进行了数值分析,计算了裂纹扩展路径以及扩展寿命,数值分析结果与试验结果基本一致,从而验证了该方法的有效性。最后,针对工程实际中可能出现的复杂疲劳裂纹扩展问题,具体研究了边界裂纹与圆孔缺陷干涉作用下的金属板疲劳问题,结果表明:斜裂纹角度以及孔洞与裂纹的相对位置均会影响扩展路径以及疲劳寿命;对于不含圆孔的斜裂纹问题,裂纹角度越大,寿命就越长,而对于含圆孔的边界裂纹问题,由于孔洞的存在导致了裂纹朝孔洞方向偏转和裂纹扩展速率减小,并可能发生止裂现象。     

基于工业CT图像的材料疲劳寿命预测

工业CT(industrial computer tomography,ICT)是在无损伤状态下得到材料断层的二维灰度图像,以图像的灰度来分辨被检断面内部裂纹的萌生、扩展情况.在分析材料的工业CT图像基础上,提出了一种疲劳寿命预测方法.首先将裂纹的萌生、扩展过程分为显微尺度细观裂纹、CT尺度裂纹和宏观裂纹3个阶段;然后采用不同的裂纹萌生、扩展标准对材料疲劳寿命进行预测;最后相加各阶段预测寿命,得到材料疲劳寿命.与疲劳累积损伤理论法、名义应力法等方法相比,该方法预测的材料疲劳寿命具有较高的精度.     

基于夹杂-细晶粒区-鱼眼疲劳失效的超长寿命预测模型

本文旨在研究夹杂-细晶粒区-鱼眼诱发疲劳失效的超长寿命预测模型.基于Cr-Ni-W合金钢疲劳试验结果,结合局部应力-寿命法和位错-能量法,分别构建了局部裂纹萌生寿命模型(LCIL)和考虑夹杂及细晶粒区影响的裂纹萌生寿命模型(IFCIL),并与Tanaka-Mura模型(T-M)进行了对比分析.其次,分别对细晶粒区内的小裂纹扩展行为和细晶粒区外鱼眼内的长裂纹扩展行为进行建模,最终形成了包含裂纹萌生和扩展在内的全寿命预测模型.结果表明,考虑夹杂及细晶粒区影响的裂纹萌生寿命模型(IFCIL)有较高的预测精度;对应细晶粒区的裂纹萌生寿命几乎等同于全寿命;裂纹扩展寿命仅占据全寿命很小的一部分;预测结果全部处于2倍偏差以内,即全寿命模型可有效地用于夹杂-细晶粒区-鱼眼诱发失效的超长寿命预测.     

变幅载荷下的疲劳裂纹扩展

通过１６Ｍｎ钢在高－低，低－高－低和低－高加载情况下，不同超载比时的裂纹扩展了实验研究，获裂纹长度与循环次数，裂纹扩展速率与裂纹长度的相应变化曲线，实验表明，在高－低和低－高－低加载下疲劳裂纹扩展具有迟滞效应，其随超载比增大而增大，文中使用常数的Ｗｉｌｌｅｎｂｏｒｇ模型对具有迟滞效应情况进行了寿命分析，计算表明在大超载比下与实验结果相比明显偏大，上述现象对变幅载荷下有裂纹机械构件的安全寿命预测具有     

大型构件疲劳裂纹随机扩展寿命的预测

本文利用作者先前提出的疲劳裂纹扩展概率分析模型ｄａ／ｄＮ＝（ΔＫ／Ｋ０）ｍ（ｉ）／Ｚ（ｘ）对裂纹扩展进行数值模拟，进而提出常幅载荷作用下预测大型构件的疲劳裂纹随机扩展寿命的有效方法。数值模拟和以往的实验结果表明，本文所提出的方法能有效地模拟疲劳裂纹的随机扩展过程，推导出其扩展寿命的概率分布函数和进行可靠性分析，预测构件的寿命和推算其最小寿命。     

铁路钢桥节点既有腐蚀疲劳裂纹扩展寿命

为评估服役中铁路钢桥由于环境腐蚀作用产生初始裂纹后的剩余疲劳寿命,对列车行走荷载作用下铁路钢桥节点横梁处在环境腐蚀形成初始裂纹后的疲劳裂纹扩展寿命进行研究。以铜九(铜陵—九江)线鄱阳湖铁路钢桥为背景,基于子模型法的多尺度建模方法,运用通用有限元软件建立铁路钢桥整体壳体模型和节点横梁处含初始裂纹的精细网格划分的实体模型,获得了在列车行走荷载作用下铁路钢桥节点横梁处的精确动应力响应;基于断裂力学的四参数Forman公式对铁路钢桥在4种不同初始裂纹长度下的腐蚀疲劳裂纹扩展寿命进行了评估与对比,并对有无环境腐蚀作用下的疲劳裂纹扩展寿命进行了对比分析。结果表明:基于子模型法的壳-实体多尺度建模方法既可以满足大型复杂结构在数值计算过程中的计算效率,又能够满足评估疲劳寿命计算所需的精确动力响应要求,可以精确评估铁路钢桥腐蚀疲劳裂纹扩展寿命;铁路钢桥既有腐蚀疲劳裂纹扩展寿命主要产生在小裂纹扩展阶段,计算得到0.5mm初始裂纹扩展到10mm时需要循环484 509次,占总扩展寿命的50.2%;铁路钢桥疲劳裂纹扩展寿命受环境腐蚀的影响非常大,其比无腐蚀疲劳裂纹扩展寿命降低79%左右。研究结果可为预测疲劳裂纹发展趋势、评估铁路钢桥剩余寿命和评定结构的安全性与运营能力提供参考。     

桥梁缆索钢丝裂纹扩展速率预测及疲劳寿命计算

为给桥梁缆索钢丝疲劳性能分析提供简单有效的方法,根据钢丝的微观组织结构和相关试验数据的统计分析结果,建立了钢丝疲劳裂纹扩展速率预测模型,并给出了模型参数的计算方法.通过变载刻痕法在原状钢丝上获取了稳定扩展区的疲劳裂纹扩展速率,预测模型较好地描述了试验获取的数据和文献中近门槛值区域钢丝的疲劳裂纹扩展规律.在此基础上,通过断裂力学方法计算了新钢丝和腐蚀钢丝的疲劳寿命并与试验数据相比较,结果表明:钢丝腐蚀不会对疲劳裂纹扩展速率产生影响,仍可用未腐蚀钢丝的力学性能通过本文方法进行预测,腐蚀钢丝疲劳寿命的变化是由于初始裂纹尺寸发生改变而引起.对于新钢丝和轻微腐蚀钢丝,可采用等效初始裂纹法进行疲劳寿命计算;当钢丝腐蚀较为严重时,疲劳总寿命基本由裂纹扩展寿命构成,初始裂纹尺寸即为真实锈坑深度.鉴于蚀坑深度分布的随机性,宜采用最大蚀坑深度对腐蚀钢丝进行疲劳寿命计算.     

板、轴类构件中表面裂纹弯曲疲劳扩展规律

本文从断裂力学基本理论出发,引入“相当能量率”概念,给出一种表面裂纹疲劳扩展的速率分析模型及一系列计算公式,在探讨板、轴件中表面裂纹弯曲疲劳扩展规律的基础上,得到一种“用贯穿裂纹试件的实验结果预测表面裂纹构件疲劳寿命”的特性线法,提出三种方法预测“含横向表面裂纹园轴件”的疲劳寿命,并为园轴中横向表面裂纹的确定提供了一种途径。文中还给出了P105钻杆钢表面裂纹试件在弯曲疲劳时扩展特性的初步研究。     

摩擦型高强螺栓单面搭接连接微动疲劳裂纹寿命研究

摩擦型高强螺栓连接件在土木工程领域应用广泛,采用10组连接件疲劳试验结合有限元分析得到了其疲劳寿命及裂纹扩展路径.由于疲劳破坏本质上是裂纹萌生和扩展的结果,故将疲劳寿命分为裂纹萌生和扩展寿命两部分.基于螺栓连接件的裂纹扩展三维有限元模型,运用Python语言实现了初始裂纹的自动扩展,获得了疲劳裂纹扩展寿命.进而,基于有限元分析和疲劳寿命试验结果对萌生寿命FFD_(max)-N_i模型中的参数进行了识别.由此发展了一种基于裂纹扩展的高强螺栓连接件疲劳寿命预测方法,据此计算的总寿命分布于两倍误差分散带内,具有较好的精度.     

表面裂纹扩展速率试验数据处理及寿命估算方法与程序

本文介绍了用递增多项式法和Chebyshev多项式法处理表面裂纹疲劳扩展速率试验数据和裂纹扩展寿命估算的两种计算方法与计算机程序(ALGOL程序和BD—200程序)。实践表明:本文推荐的两套计算程序是处理分析表面裂纹疲劳扩展速率试验数据和估算裂纹扩展寿命的简便而有效的好方法。     

基于有限单元法的裂纹梁结构疲劳寿命预测模型

为了准确预测裂纹梁结构的疲劳寿命,提出一种裂纹梁结构的振动与疲劳裂纹扩展耦合分析方法。首先,基于有限单元法建立裂纹梁结构的动力学模型;然后,根据裂纹梁单元的特点,推导裂纹梁单元的应力强度因子表达式,在此基础上应用Walker方程建立疲劳裂纹扩展增量计算式,再基于振动响应与裂纹扩展循环同步分析法,计算疲劳裂纹扩展寿命;基于该疲劳寿命预测模型,分析激振频率、激振力幅值和应力比对裂纹梁疲劳寿命的影响;最后,对裂纹梁进行疲劳试验,将试验测量结果与模型计算结果进行比较,验证所提出模型的准确性。研究结果表明:提出的疲劳寿命预测模型较好地表征了疲劳裂纹扩展寿命与其结构参数之间的内在关系,反映了振动对裂纹梁结构疲劳寿命的影响;随着激振频率接近固有频率,裂纹扩展速率增大,裂纹梁的疲劳寿命明显降低;随着激振力幅值增大,裂纹梁的应力强度因子幅增大,疲劳裂纹扩展寿命降低;随着应力比增加,裂纹梁的疲劳寿命显著提高。     

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。     

HG60RA钢低周疲劳裂纹扩展速率研究

用卸载柔度法检测疲劳裂纹长度技术，以弹塑性断裂力学参量作为低周疲劳裂纹扩展速度驱动力，研究ＨＧ６０ＲＡ钢在常温和４００℃下的低周疲劳裂纹扩展速率，得到了ＨＧ６０ＲＡ钢的常温下和４００度时的ｄａ／ｄｎ－△Ｊ关系。试验结果表明，ＨＧ６０ＲＡ钢在４００度时的低周疲劳裂纹扩展速率要比其常温下的低，这一结果对带缺陷运行的锅炉压力容器安全性评估和寿命预测提供了依据。     

基于裂纹失效路径的压力容器剩余寿命预测新方法

裂纹的扩展行为研究是压力容器剩余寿命预测的关键与基础。针对目前难以准确预测压力容器表面裂纹剩余寿命的状况,通过建立压力容器表面裂纹的受力模型,利用有限元方法分别计算出裂纹表面点与最深点处的应力强度因子,得到裂纹深度a与长度c的变化之比,运用压力容器仿真系统进行路径仿真与失效速率仿真,得到裂纹在安全区域的临界拐点及临界值aN。实例计算结果表明,表面裂纹的失效路径能够直观准确的表示裂纹的扩展规律,进行有效的剩余寿命预测。     

基于断裂力学方法的粉末盘低周疲劳寿命预测

为克服传统寿命预测未能考虑粉末合金夹杂物的缺陷,在某粉末封严盘定寿过程中,使用计算断裂力学方法模拟了夹杂缺陷从初始状态一直增大到可检尺度的扩展过程,并将该过程经历的循环数作为裂纹萌生寿命。在考虑小裂纹扩展速率修正的情况下萌生寿命为1639循环,若不采用修正则为4956循环,说明忽略"小裂纹效应"会得出偏于危险的萌生寿命计算结果。对含裂纹有限元模型的建立、裂纹扩展寿命计算中积分路径的选取等问题进行了讨论。使用断裂力学方法预测裂纹萌生寿命需要重复多次有限元计算及前沿光顺化处理,时间耗费较大,但在精确定量分析方面具有优势,可作为现有方法的有益补充,为发动机限寿件检修周期的确定提供依据。     

基于损伤力学的疲劳全寿命数值预估方法

疲劳失效是影响结构件使用安全的主要问题,对疲劳寿命进行准确预测具有重要的工程意义。基于采用平均应力修正的损伤力学演化模型,结合有限元法建立了同时考虑裂纹萌生与扩展的疲劳全寿命数值预估方法。为了验证该方法,开展了不同应力水平下铝合金开孔板试样疲劳试验与疲劳数值模拟。结果表明,基于所建立的疲劳数值分析方法能够有效预测开孔板裂纹扩展过程及疲劳全寿命,预测寿命误差带在两倍以内。     

当量裂纹尖端位移在带斜裂纹压力容器启裂、爆破及疲劳试验中应用

本文提出当量裂纹张开位移概念,并据此推导出带斜裂纹压力容器开裂压力的计算公式。预计的开裂压力与采用声发射法测得的开裂压力相符。又用当量裂纹张开位移作为控制疲劳裂纹扩展参量,得到的疲劳裂纹扩展速率的公式与实验结果符合。