高频谐振载荷作用下疲劳裂纹尖端变形场分析

为研究高频谐振式疲劳裂纹扩展试验中,带有I型预制裂纹的CT紧凑拉伸试件裂纹尖端位移、应变场的变化规律,利用动态有限元方法,采用ANSYS和MATLAB软件编写程序,计算了CT试件在高频恒幅正弦交变载荷作用下,在一个应力循环及裂纹扩展到不同长度时裂纹尖端区域的位移、应变场并分析了其变化规律.为验证有限元计算结果的准确性,进行了高频谐振式疲劳裂纹扩展试验,采用动态高精度应变仪测量了CT试件疲劳裂纹扩展到5mm时在一个应力循环内裂纹尖端点的应变.研究结果表明:在稳态裂纹扩展阶段,高频谐振载荷作用下I型疲劳裂纹尖端区域位移、应变均为和载荷同一形式的交变量;随着裂纹的扩展,I型疲劳裂纹尖端的位移、应变幅不断增大;裂纹尖端测量点应变有限元计算结果和实验结果最大误差为2.93%.     

弹塑性疲劳微弯裂纹CTOD及J积分问题

从理论上比较精确地研究了疲劳载荷作用下弯曲延伸裂纹尖端塑性区域边界上的交变正应力和交变剪应力的分布状况.综合考虑了疲劳作用应力、塑性区域交变正应力和交变剪应力,利用二阶摄动方法,研究分析了疲劳载荷作用下弯曲延伸裂纹尖端塑性区域的范围.利用二阶摄动方法与卡氏定理计算了疲劳载荷作用下弯曲延伸裂纹尖端张开位移的最大值及变化幅值.以弯曲延伸裂纹尖端塑性区域的边界曲线为积分回路,求解了疲劳载荷作用下弹塑性弯曲延伸裂纹尖端J积分的最大值与变化幅值.为有效地预测及驾驭疲劳载荷作用下工程结构裂纹的弯曲扩展提供了理论依据.     

Q345圆钢杆的疲劳破坏模型

为研究结构钢圆杆的疲劳破坏模型,以结构钢的椭球面断裂模型为开裂判据,由结构钢圆杆疲劳裂纹的裂尖真实应力场,计算出结构钢圆杆疲劳裂纹的失稳扩展面积、稳定扩展面积和稳定扩展长度.基于结构钢疲劳裂纹随加载次数加速扩展的试验事实,假定结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展速率是循环加载次数的单调递增幂函数,即双对数坐标系下结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展速率和循环加载次数为单调递增线性函数,积分后得到结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展长度和疲劳寿命间的函数表达式,导出结构钢圆杆的疲劳破坏模型.建议的结构钢圆杆的疲劳破坏模型表明,结构钢圆杆的疲劳寿命是名义最大应力、相对应力幅、初始裂纹位置和初始裂纹长度的复杂函数,不能简单化为仅是应力幅的函数.对Q345B圆钢杆进行了常幅循环应力疲劳试验,结果表明,Q345B圆钢杆的疲劳寿命随相对应力幅和名义最大应力的增加而降低.根据Q345B圆钢杆的疲劳试验结果,标定了其疲劳破坏模型参数,验证了建议的疲劳破坏模型精度.     

橡胶球铰疲劳裂纹扩展寿命预测

通过橡胶纯剪试样疲劳裂纹扩展试验,得出了裂纹扩展速率与撕裂能之间的关系;以单位撕裂能范围为损伤参量,建立了复杂应力状态下的橡胶疲劳裂纹扩展寿命预测模型.基于ABAQUS有限元结构分析和橡胶材料等效应力计算方法,得出橡胶球铰在疲劳载荷下的单位撕裂能范围;对橡胶球铰的疲劳裂纹扩展寿命进行分析预测,并通过产品台架疲劳实验进行验证,结果表明橡胶球铰经过200万次疲劳试验后无明显裂纹,没有发现失效破坏,与寿命预测值基本吻合.     

曲轴疲劳裂纹扩展速率测量的扫频法

常规的疲劳裂纹尺寸测量方法局限于简单试样，难以应用于曲轴这类结构复杂、裂纹位置较为特殊的试样.为此提出了一种针对曲轴进行裂纹尺寸动态测量的新方法.以谐振式疲劳试验机为平台，根据试验过程中曲轴裂纹扩展后谐振系统共振频率下降这一现象，通过系统扫频试验来动态跟踪裂纹扩展的参照信息.在试样发生断裂后，根据断口形貌对裂纹的形态和尺寸进行实测，辅助以谐振系统的有限元模态分析来反推裂纹尺寸的确切值，实现了裂纹尺寸的动态测量.应用七点递增二次多项式拟合方法对裂纹动态尺寸测量曲线（a N曲线）进行处理，得到了各循环次数对应的扩展速率曲线（da/dN N曲线）.然后应用15节点1/4奇异元对曲轴疲劳裂纹的应力强度因子进行有限元计算，得到了在各裂纹尺寸以及各循环次数下曲轴圆角裂纹的应力强度因子.最后给出了实例，并绘制了疲劳裂纹扩展速率曲线.     

Q345高周疲劳失效机理及固有耗散能研究

双相钢Q345多用于建筑或机械结构的承力构件,循环载荷的长期作用使得构件在低于其静强度的载荷条件下发生疲劳断裂,经济可靠的强度设计需要对材料的疲劳失效进行研究。作者利用电磁谐振高频疲劳试验机,在载荷频率140 Hz、应力比为-1条件下,得到不同失效概率时材料高周疲劳（10⁴周次< 疲劳寿命< 10⁷周次）应力-寿命（S-N）曲线。利用扫描电子显微镜观察材料受到循环载荷作用后的显微结构的变化和疲劳失效后试样的断面微观形貌,研究材料疲劳裂纹的萌生和扩展。同时,利用红外热像仪记录Q345试样表面的温度场随循环载荷作用周次的变化,研究材料在高频循环载荷作用下的固有耗散能。双相钢Q345在高频循环载荷作用下的疲劳失效主要是由于铁素体-珠光体双相结构在循环载荷作用下的微观强度差异使得微观裂纹首先萌生于相对薄弱的铁素体晶粒,且随循环载荷周次的增加而裂纹逐渐扩展。珠光体晶粒对疲劳裂纹的扩展起阻碍作用,使得疲劳裂纹沿铁素体或铁素体与珠光体之间的晶界向前扩展。当载荷幅值低于其高周疲劳极限时,试样表面温升不明显;有限寿命的载荷条件下,试样表面温度场的变化受到材料微观变形的影响,基于试样表面温度场的变化,能快速确定材料的高周疲劳强度极限。高频循环载荷作用下,单位体积材料的固有耗散能与载荷之间呈非线性关系,在热力学框架内建立了材料的固有耗散能表征模型。     

循环载荷应力比对微动疲劳特性的影响

自行设计了实验装置, 研究了柱面—平面接触形式45 号钢在不同应力比(R =0 .00 , 0.25, 0 .50)轴 向循环载荷作用下的微动疲劳特性.确定了各应力比轴向循环载荷作用下的S ― N 曲线, 并对微 动疲劳断裂裂纹位置及断裂特征作了分析.研究结果表明:相同轴向循环载荷应力幅下, 微动疲劳 寿命随着轴向循环载荷应力比的增大而有所降低;微动疲劳断裂裂纹位置都在接近于接触中心而 又略偏于桥脚外侧的位置;在高应力比下断口截面上裂纹扩展的痕迹更明显, 断口截面更规则.     

双向载荷条件下Ⅰ型裂纹的疲劳扩展

研究了双轴向应力状态下Ⅰ型穿透型裂纹的疲劳扩展规律，采用构形合理一经精确标定应力强度因子值的双向十字形试样，在电液伺服双轴向疲劳试验机上对低合金钢（16MnR0)进行了多种载荷比的疲劳 展速率试验，得到了双轴向应力状态下的Paris方程，为目前按缺陷评定规范依据单轴向疲劳试验所得数据对工程构件进行疲劳评定提供参考数据，并就当前研究者们对于双向应力场中横向载荷对疲劳扩展行为的影响的不同看法进行分析探讨。     

缺口件的疲劳行为

为了分析缺口试样几何结构及其尺寸变化下的疲劳行为,对Q235钢、45#钢试样(Kt=2,Kt=3)进行拉伸疲劳寿命试验。试验过程显示:试样缺口的几何形状几乎不影响疲劳寿命,而缺口根部的应力场和高应力区域内局部尺寸是2个重要影响因素,试样尺寸越大处于高应力区域内局部尺寸越大,相应的应力梯度越小,疲劳寿命越低;位于缺口高应力区域厚度方向尺寸存在一临界值,大于该值时疲劳寿命下降较快,文中定义厚度效应。试验结果表明:在保持表面质量、缺口应力集中系数和均布载荷相同的情况下,比例试样缺口应力场中的均匀应力(厚度尺寸L方向)和非均匀应力(应力梯度G-方向)是尺寸变化过程中疲劳寿命下降的2个主导因素,它们共同影响疲劳寿命,进行零件的抗疲劳设计须考虑两者的联合作用,为后续的尺寸系数计算提供理论依据。     

中度球化的20 g材质疲劳裂纹的扩展速率

对已超期服役且中度球化的焦炭塔20 g材质在常温下的疲劳裂纹扩展速率da/dN进行了试验研究.试样采用CCT试样,有效试样数为3件,用七点递增多项式法求da/dN和Δk,将3个试样的da/dN和Δk数据点合在一起进行回归分析.回归时对数据点进行了取舍,对前几组数据点的异常(da/dN随Δk的增大而降低)作了理论上的分析,认为是预制裂纹产生过高的残余拉应力影响了裂纹的正常扩展,随着裂纹扩展,预制裂纹时产生的残留塑性区被消耗掉,疲劳裂纹扩展速率才恢复正常.得到了以Paris公式表达的平面应变da/dN与Δk关系式.将此式与另一个不同实验条件下的关系式作了比较,认为该式反映了该材料在目前状况下的疲劳扩展规律.     

压弯组合应力下高强钢表面裂纹

分析了压应力对表面裂纹应力强度因子的影响,给出了压力影响修正系和压弯组合应力作用下表面裂纺形貌变化的统一表达式,提出用焊接角度板和轴向加载获得压弯组合应力来模拟潜艇耐压壳锥－柱焊接结合区的应力特征的实验方法,用980高强钢作试件,对压弯组合应力作用下的表面裂纹的疲劳行为进行了实验研究,描述了压弯疲劳载荷下面的裂纹形貌变化。     

碳纤维复合材料（CFRP）粘贴层数对开孔钢板的疲劳寿命影响的试验研究

摘 要:疲劳损伤是钢结构失效的重要原因,传统的修复加固钢结构的方法包括钢板焊接、铆接,螺栓连接等,这些加固方法容易产生应力集中现象。CFRP具有比强度和比刚度高的特点,在加固钢结构方面效果良好。通过对3组粘贴有不同层数CFRP的开孔钢板进行疲劳实验,描述了不同类型钢板的破坏形态,并绘制了疲劳寿命曲线和变形曲线,比较了三组钢板在疲劳寿命,裂纹扩展情况,断裂时碳纤维布与钢板之间的协同工作情况的差异和共性。研究结果表明,粘贴碳纤维能够提高钢板的屈服荷载,弥补钢板表面缺陷,减缓钢板疲劳裂纹的扩展速率,增加钢板的延性,从而有效地提高钢板的疲劳寿命,并且随着粘贴层数的增加,疲劳寿命提高效果明显,发现粘贴一层碳纤维布使其平均疲劳寿命提高4.7%,粘贴三层碳纤维布,其疲劳寿命提高77.80%。粘贴碳纤维布能够有效地缩小不同应力作用下钢板变形能力之间的差异,CFRP层数越多,这种差异就越小。同时,CFRP的粘贴层数越多,钢板破坏时的极限变形越大,粘贴三层碳纤维布的钢板的极限变形在0.9mm以上。     

基于损伤容限设计的冶金桥式起重机疲劳寿命研究

以180t×24．85m冶金桥式起重机为研究对象,通过无损探伤发现桥架北主梁的下盖板上有裂纹,应用有限元分析和损伤容限设计方：去对起重机裂纹的疲劳寿命进行计算。结果表明,起重机裂纹扩展到临界尺寸需要大约5年的时间。     

高强度材料402钢的低周疲劳性能实验研究

对高强度材料４０２钢进行了低周疲劳性能实验,通过应变为０．２５％到１％,１０级别４０根有效试样恒应变控制实验,给出了４０２钢的应变疲劳曲线图和应变疲劳特性参数,为对４０２钢建造的船舶结构进行疲劳分析提供了可靠的实验数据。     

Dynamic Model of Thermal Fatigue Crack Propagation In 3Cr2W8V Steel

In this paper, the thermal fatigue test data in 3Cr2W8V steel are analyzed numerically. Then, on this basis a formula of thermal fatigue crack propagation rate with respect to stress intensiyt factor range is presented. Finally a dynamic equation of the control parameters for thermal fatigue crack propagationis derived according to evaluating the thermal strain relaxation property of the steel.     

Q235、Q345钢结构材料的低周疲劳性能

对Q235、Q345钢的低周疲劳性能进行了研究。采用轴向应变控制方法,在岛津电液伺服疲劳试验机上测定了2种钢低周疲劳过程中的循环应力响应特征、循环应力与应变的关系,通过拟合Basquin公式和Coffin-Manson公式得到了2种钢的疲劳寿命公式,据此计算了Nf=100周时的循环能量吸收率σa.Δεt值,并与别的钢筋进行了比较。通过断口扫描发现,Q235钢裂纹起源于试样表面,由于第二相质点和夹杂物的存在,形成微孔洞和微裂纹,互相连接形成疲劳断裂;Q345钢裂纹起源于表面,然后通过不断扩展形成微裂纹,再连接成宏观裂纹,最终导致材料断裂。     

斜拉桥正交异性钢桥面板疲劳试验研究

以板桁斜拉桥的Q500qE正交异性钢桥面板作为研究对象,采用足尺节段模型疲劳试验和数值模拟的方法,对具有宽U肋的正交异性钢桥面板关键细节的疲劳性能进行研究. 通过施加预应力的方法模拟桥面板的轴压力. 3个试验模型总计进行650万次变幅疲劳循环加载. 研究结果表明,嵌补段焊缝初始裂纹以宏观长裂纹的方式出现在腹板下缘,荷载幅越大,初始裂纹越长;宽U肋嵌补段腹板和底板的裂纹扩展可以分为4个阶段,各阶段间有明显的分界点;裂纹扩展速度与裂纹扩展长度正相关;轴压力增大了嵌补段裂纹扩展速度;对设置了焊接垫板的宽U肋嵌补段的焊缝余高进行铲除并磨平处理可以提高焊缝细节的疲劳强度. 推荐采用我国公路钢桥结构设计规范（JTG D64-2015）中110类细节疲劳强度设计宽U肋嵌补段对接接头焊缝.     

钢纤维部分增强高强混凝土梁疲劳性能的试验研究

通过1根普通高强混凝土梁和3根钢纤维高强混凝土梁的疲劳试验,分析了疲劳荷载作用下钢纤维部分增强高强混凝土梁跨中挠度及裂缝宽度随循环次数增加的变化规律,探讨了钢纤维掺入层厚对钢纤维高强混凝土梁跨中挠度及裂缝宽度的影响.结果表明,在高强混凝土梁中部分掺加钢纤维能够有效地控制梁的刚度及限制裂缝的发展,疲劳抗裂性能及变形性能随着钢纤维混凝土层厚的增加而提高.     

波纹钢腹板组合箱梁常幅疲劳性能试验研究

波纹钢腹板组合箱梁结构以波纹钢腹板代替传统的混凝土腹板,实现了主梁的轻型化。针对波纹钢腹板组合箱梁的破坏机理,研究了2根波纹钢腹板组合箱梁的静力和疲劳性能。记录了试验中裂纹萌生、扩展的全过程,分析了试件破坏模式、承载力、荷载-挠度曲线、荷载-应变曲线,并通过材料力学公式对100 kN时梁挠度进行计算。结果表明：箱梁破坏时纵向裂纹萌生于混凝土底板,纵向贯通拉裂后,波纹钢腹板与底板之间产生纵向滑移,混凝土销剪切错动破坏。实际工程中应对混凝土底板进行FRP加固或设置预应力筋减缓裂纹萌生以及扩展;箱梁具有很好的疲劳耐久性,疲劳试验中裂纹扩展缓慢,当P_max为静力试验承载力的50 %时,疲劳寿命超过6×10⁶周次;箱梁受力符合拟平截面假定,混凝土顶底板主要承受弯矩,波纹钢腹板主要承受剪力。挠度计算结果略小于试验值,属于偏安全计算,误差原因主要是未考虑波纹钢腹板剪切变形对梁挠度影响。