周向表面裂纹压力管道塑性跨塌失效的理论与实验研究（一）—塑性垮塌失效的三维弹塑性有限元分析

采用三维弹塑性有限元分析方法，探索了石油化工行业周向表面裂纹管的塑性垮塌失效特征，结果表明：周向表面裂纹管在发生净截面塑性发生裂纹前沿韧带的局部塑性垮塌，对于裂纹深度较浅的周向表面裂纹管，其塑性垮塌失效形式呈现为裂纹净截面塑性垮塌失效，净截面垮塌（NSC）准则能较好地预测其韧带局部塑性垮塌失效截荷；对于短且深的周向表面裂纹管，裂纹前沿韧带的局部塑性垮塌失效相当明显，此时净截面垮塌准则（NSC）预测其韧带局部塑性垮塌失效载荷则表现为非保守，须建立相应的韧带局部塑性垮塌失效模型来描述。     

对2024铝合金疲劳裂纹扩展寿命进行预测

通过二维弹塑性有限元计算得到Ⅰ型静态裂纹在常幅疲劳载荷下裂纹尖端塑性应变能,进而获得裂纹尖端塑性应变能和应力强度因子幅值的非线性关系;根据能量平衡概念,建立了裂纹扩展速率与裂纹尖端塑性应变能的关系。由此得到一种基于裂纹尖端塑性应变能的疲劳裂纹扩展寿命预测模型,利用该模型预测了中心裂纹平板的疲劳裂纹扩展寿命,预测结果与试验值吻合得很好。     

汽车起动机减速轴冷挤压数值模拟分析

对汽车起动机减速轴及模具建立了弹塑性有限元模型,采用数值模拟方法分析了减速轴冷挤压成型过程,得出了成形过程中的挤压力、速度、应变场及材料充填的变化规律,较好地预测了成形过程中可能产生的缺陷.仿真结果和实际符合.研究成果对冷挤压成形仿真以及塑性成形工艺控制和模具结构优化设计具有指导意义.     

不同加载条件压载荷对疲劳裂纹尖端塑性区的影响

应用弹塑性有限元方法,研究不同加载条件下压载荷对疲劳裂纹尖端塑性区的影响.建立两个具有中心穿透裂纹的高强铝合金板的有限元模型,分别进行不同载荷的拉压加载模拟分析.结果表明,压载荷对疲劳裂纹尖端塑性区有显著影响,在一拉一压加载周期,当拉载荷减小到零时裂纹尖端应力不为零,裂纹尖端应力对裂尖的挤压作用产生反向塑性区,裂尖反向塑性区随压载荷的增加而增加,压载荷的大小是决定裂纹尖端塑性区大小的主要因素,压载荷越大塑性区越大.     

星形套冷挤压成形有限元方法研究

利用高级非线性软件MSC．Marc，采用弹塑性热机耦合分析对行星套冷挤压过程进行了模拟，得出了塑性成形的流动规律和模具的应力分布，比较了不同建模方法对模拟结果的影响，比较全面地阐述了冷挤压塑性成形的有限元仿真技术。研究结果对冷挤压成形的有限元仿真以及塑性成形工艺控制和提高模具寿命具有指导意义。     

压应力对长短疲劳裂纹尖端塑性区影响的有限元分析

应用弹塑性有限元方法,研究压应力对长短疲劳裂纹塑性区的影响.分别建立两个具有长短中心穿透裂纹高强铝合金板的有限元模型,进行拉压加载模拟分析.结果表明,压应力对长短疲劳裂纹尖端塑性区有显著影响,相同的应力强度因子条件下,在一个拉一压加载周期,当拉载荷减小到零时裂纹尖端应力不为零,裂纹尖端应力对裂尖的挤压作用产生反向塑性区,裂尖反向塑性区随压应力的增加而增加,压应力的大小是决定裂纹尖端塑性区大小的主要因素,压应力对短裂纹的影响比长裂纹大.     

周向表面裂纹压力管道塑性垮塌失效的理论与实验研究(一)——塑性垮塌失效的三维弹塑性有限元分析

采用三维弹塑性有限元分析方法,探索了石油化工行业周向表面裂纹管的塑性垮塌失效特征,结果表明:周向表面裂纹管在发生净截面塑性垮塌前将发生裂纹前沿韧带的局部塑性垮塌.对于裂纹深度较浅的周向表面裂纹管,其塑性垮塌失效形式呈现为裂纹净截面塑性垮塌失效,净截面垮塌(NSC)准则能较好地预测其韧带局部塑性垮塌失效载荷;对于短且深的周向表面裂纹管,裂纹前沿韧带的局部塑性垮塌失效相当明显,此时净截面垮塌准则(NSC)预测其韧带局部塑性垮塌失效载荷则表现为非保守,须建立相应的韧带局部塑性垮塌失效模型来描述.     

拉压载荷对疲劳裂纹扩展影响的有限元分析

利用弹塑性有限元方法研究了压应力对裂纹尖端塑性区的影响和长短裂纹尖端的塑性区和裂纹张开剖面.通过分析表明,压应力对裂纹尖端塑性区和疲劳裂纹的扩展有显著的影响.     

弹塑性断裂随机分析的工程方法

为解决弹塑性断裂随机分析的参数计算问题，发展了前人的“弹塑性断裂力学工程方法”。以单边裂纹板为例，应用随机有限元进行全塑性无量纲断裂参数及其对基本随机变量变化率表值的计算，借助表值，通过插值进行断裂参数的计算和弹塑性断裂随机分析。结果表明工程估算方法与直接随机有限元方法所得结果较接近。     

外凸台内齿圈精密成型有限元数值模拟

对外凸台内齿圈件及模具建立了弹塑性有限元模型,分析了零件加工工序过程。构建了相关有限元力学模型,采用数值模拟方法分析了外凸台内齿圈件冷挤压成型过程,研究了成型过程中的相关关键技术,得出了成形过程中的挤压力、速度、应变场及材料充填的变化规律。较好地预测了成形过程中可能产生的缺陷。通过试验研究发现仿真结果和实际符合很好。数值模拟研究成果对冷挤压成形仿真以及塑性成形工艺控制和模具结构优化设计具有指导意义。     

恒幅和单峰超载疲劳裂纹尖端区域残余应力场的数值模拟

采用弹塑性有限元方法,对恒幅及不同超载比的单峰超载作用下的裂纹扩展进行有限元模拟.通过模拟得到的裂纹扩展过程中裂尖塑性区及应力(残余应力)场分析产生裂纹闭合的原因以及对裂纹扩展的影响.结果表明,从残余应力角度分析裂纹扩展是可行的,为建立基于残余应力的裂纹扩展模型提供分析基础.     

BP神经网络在弹塑性断裂分析中的应用

应用J—A2双参数弹塑性理论和有限元分析,对裂纹尖端应力场进行弹塑性断裂分析,研究预测裂纹尖端J积分和约束参数A2的BP(back propagation)神经网络算法。选取裂纹几何参数和载荷等作为影响J—A2双参数的因素,用有限元仿真试验产生神经网络的学习样本,用Levenberg-Marquardt算法,设计神经网络流程。仿真试验表明,提出的预测方法是有效的,神经网络可以较好地模拟裂纹几何参数、载荷和J积分、约束参数A2之间的非线性关系。     

内压载荷作用下含缺陷弯头的塑性极限载荷有限元分析

采用三维弹塑性有限元技术,对内压载荷作用下含纵向穿透裂纹弯头的塑性极限载荷进行了系统分析。结果表明,裂纹削弱系数(PL/PL0)与厚径比(t/rm)无关,在实际工程应用中可忽略厚径比对裂纹削弱系数的影响。裂纹对长半径弯头的塑性极限承载能力影响程度明显大于对短半径弯头的。     

内压载荷作用下含纵向穿透裂纹弯头的塑性极限载荷

弯头是管道系统中最薄弱、最容易失效的管件。研究含缺陷弯头的塑性承载能力在整个压力管道系统安全评定中占有重要地位。利用求取直管极限载荷的鼓胀系数法建立不考虑直管影响的含缺陷弯头的塑性极限载荷估算式。采用三维弹塑性有限元技术，对内压载荷作用下含纵向穿透裂纹弯头的塑性极限载荷进行系统分析。结果表明，裂纹削弱系数（PL／P LO）与厚径比（t／rm）无关，在实际工程应用中可忽略厚径比对裂纹削弱系数的影响。裂纹对长半径弯头的塑性极限承载能力影响程度明显大于对短半径弯头的。     

基于有限元和神经网络的缺陷预测

建立了多孔材料镦粗成形过程中鼓形表面出现裂纹的缺陷诊断系统，该系统的学习样本是结合有限元数值模拟和Ｌｅｅ－Ｋｕｈｎ提出的极限压缩应变准则来获得的。应用该系统的推广能力，获得了多孔体材料在镦粗成形过程中出现裂纹的极限工艺参数。结果表明，ＢＰ网络在缺陷预测方面具有重要的应用价值，为缺陷预测的方法和神经网络的应用开辟了新途径。     

幂硬化对准静载弹塑性弯曲裂纹塑性区的影响

主要研究准静载荷作用下的硬化材料弹塑性弯曲裂纹尖端的塑性区问题。综合考虑了准静作用应力,塑性区域边界上正应力与剪应力,利用二阶摄动方法计算了硬化材料弹塑性弯曲裂纹尖端的塑性区。用数值解法计算出弹塑性弯曲裂纹尖端硬化塑性区于裂纹直线部分延长线上的投影长度,作图分析了弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸与材料硬化指数之间的变化关系。在幂硬化材料中,弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区随着材料硬化指数n的增大而减少,当n等速均匀增加时,弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸加速减少,减少的幅度越来越大。当材料的硬化指数相同时,弯曲裂纹尖端塑性区尺寸随外载荷的不断减小而逐渐减小。建立了一个计算硬化材料弹塑性弯曲裂纹塑性区尺寸的崭新理论模型。     

三维准静载弹塑性弯曲裂纹塑性区

主要研究准静载荷作用下的三维弹塑性弯曲裂纹尖端的塑性区问题。综合考虑了准静作用应力,三维塑性区域边界上正应力与剪应力,利用二阶摄动方法计算了三维弹塑性弯曲裂纹尖端的塑性区。用数值解法计算出三维弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区于裂纹直线部分延长线上的投影长度,作图分析了三维弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸与三维裂纹体几何尺寸之间的变化关系。三维弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区随着三维裂纹体厚度的增大而减小,随着三维裂纹体厚度的均匀增大,三维弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸不断减小,减小的幅度越来越小,最终趋于平面应变状态下的弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸。当三维裂纹体几何尺寸相同时,三维弯曲裂纹尖端塑性区尺寸随外载荷的不断增大而逐渐增大。建立了一个计算三维弹塑性弯曲裂纹塑性区尺寸的崭新理论模型。     

考虑裂尖疲劳损伤的材料疲劳裂纹扩展行为研究

基于低周疲劳Manson-Coffin关系,定义I型裂纹疲劳扩展区内关于应变幅的平均疲劳损伤参量,并结合Miner线性累积损伤理论,通过弹塑性有限元法实现材料疲劳裂纹扩展速率的预测模拟,同时也建立以显式理论公式来描述疲劳裂纹扩展速率规律的新型预测模型。在进行有限元模拟分析中借助裂尖单调塑性区平均疲劳损伤达到临界损伤即完成一次步进扩展的假定。在显式理论公式推导中采用裂尖循环塑性区平均疲劳损伤达到临界损伤即完成一次步进扩展的假定。以大型汽轮机转子材料Cr2Ni2MoV钢、航空材料TA12合金和304不锈钢材料为例,应用所提出的两种疲劳裂纹扩展速率预测方法对其进行预测,并同试验结果进行对比。对比分析表明,两种方法对材料的疲劳裂纹扩展速率行为预测均具有较高的模拟精度,而理论预测模型相比有限元模拟方法预测范围拓宽,预测精度更好,方便于根据包括材料手册的资料中低周疲劳Manson-Coffin试验关系来直接获取I型裂纹疲劳裂纹扩展速率表达式。     

6061铝合金杯形件挤压成形模拟分析及实验研究

以6061铝合金杯形挤压件为研究对象,分别使用Deform-3D及MSC.Superform软件构建三维和二维弹塑性有限元模型,预测成形缺陷,分析了缺陷产生的机理并提出了提高模拟精度的方法,并进行了实验验证。结果表明,几种规格的铝合金杯形件均存在成形缺陷,主要表现为充填不足、折叠和裂纹。对于该轴对称问题,二维有限元模型的计算结果优于三维模型的计算结果,模拟结果与实验结果较吻合。     

力学性能不均匀性对焊接接头三点弯曲试样塑性区发展规律的影响

利用弹塑性有限元方法对焊接接头试样在三点弯曲试验中塑性区的发展情况进行了计算。分析了不同的裂纹深度、强度组配，焊缝宽度以及不同位置裂纹的焊接接头试样对塑性区形状发展的影响规律。分析结果显示，不同强度组配和几何特征的焊接接头试样对裂纹尖端塑性区的发展规律有较大的影响，由于裂纹尖端拘束程度的不同会造成塑性区的形状和尺寸的改变，因此在做焊接接头试样三点弯曲试验时，可能会得出与均质材料试样不同的驱动力曲线