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.     

应力比影响下的铝合金全范围疲劳裂纹扩展速率表达式

通过试验测得T851处理的2124铝合金板TL取向与LT取向不同应力比时的裂纹扩展门槛值及裂纹扩展速率;将应力比影响下的有效应力强度因子ΔKeff、有效裂纹扩展门槛值ΔKeffth及裂纹在循环应力作用下的临界应力强度因子K′C引入全范围裂纹扩展速率表达式中,并用修正后的公式对不同应力作用下2124铝合金TL取向与LT取向的疲劳裂纹扩展速率进行了预测。结果表明:预测结果与试验结果基本吻合,说明修正后全范围裂纹扩展速率表达式可以用来描述2124铝合金裂纹扩展速率。     

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.     

双材料界面裂纹应力强度因子计算

建立不同裂纹长度的双材料界面裂纹模型,用有限元软件计算和分析界面裂纹尖端附近的应力场和位移场.利用裂尖前沿应力和裂纹面相对位移分别计算了界面裂纹尖端的应力强度因子K,两种方法计算的K值完全吻合.通过数值分析,给出一种计算双材料界面裂纹应力强度因子K的经验公式.     

T形焊接接头根部裂纹应力强度因子研究

建立T形焊接接头根部裂纹的半椭圆裂纹模型,定义裂纹模型的构形参数以及边界条件,分析裂纹尖端的应力强度因子。采用奇异单元法,通过有限元计算,模拟裂纹尖端的应力奇异性。并通过收敛性检验确定裂纹尖端的单元尺寸。在此基础上,计算裂纹尖端量纲一应力强度因子,并分析其受几何参数影响的变化规律。计算结果表明,对于给定的载荷条件下,不同初始裂纹尺寸时,裂纹尖端的应力强度因子存在一定的规律性,且不同几何参数对应力强度因子的影响程度存在一定差异,因此,对焊接结构疲劳强度研究时需要有一定的侧重点。采用多重线性回归方法拟合仿真计算结果,这些结果为进一步研究T形焊接接头根部裂纹扩展和疲劳寿命预测提供参考。     

高频谐振载荷作用下Ⅰ型疲劳裂纹尖端力学参数变化规律

为研究高频谐振式疲劳裂纹扩展试验中带有Ⅰ型预制裂纹的紧凑拉伸(CT)试件裂纹尖端力学参数的变化规律,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、应变场及裂纹尖端的应力强度因子,并分析了其变化规律。在计算裂纹尖端应力强度因子时,首先采用静态有限元方法和理论公式验证了有限元建模和计算的正确性,然后采用动态有限元方法研究了裂纹扩展过程中裂纹尖端应力强度因子的变化规律。最后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裂纹扩展到不同阶段时裂纹尖端点的应变,并对有限元计算结果进行了验证。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型疲劳裂纹尖端位移、应变及应力强度因子均为与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、应变及应力强度因子幅不断增大;静态应力强度因子有限元计算值和理论值的误差为2.51%,裂纹尖端点应变有限元计算结果和试验结果最大误差为2.93% 。     

全断面隧道掘进机刀盘裂纹尖端应力强度因子收敛性分析

针对全断面隧道掘进机刀盘裂纹损伤及寿命预测等工程问题,提出了基于子模型技术的应力强度因子求解方法,并用含裂纹的矩形钢板对该方法进行了验证,分析了裂纹网格参数对刀盘裂纹尖端应力强度因子的收敛性影响。结果表明,钢板的应力强度因子数值和理论计算结果最大相对误差为3.6%。同时得到了保证刀盘应力强度因子求解精度和效率的裂纹单元网格参数,为结构的裂纹扩展寿命预测提供了参考。     

制动盘热机开裂机理的模拟研究

综合考虑灰铸铁物理属性随温度变化规律、拉/压各向力学性能差异和弹塑性应变应力关系,采用有限元计算方法,研究灰铸铁制动盘在不同制动工况下的温度场、应力场、应变场以及热机裂纹强度,揭示制动盘热机开裂原因及裂纹分布规律。热机耦合计算结果表明制动盘在初始制动速度为180 km/h下,最大温度为360℃、径向压/拉应力275MPa/85 MPa、周向压/拉应力为374 MPa/100 MPa、径/周向塑性应变为-4.6×10~(-5)/-6.75×10~(-5)。热机开裂计算结果表明径向裂纹尖端应力强度因子ΔK为6.69MPa·m~(1/2)大于周向裂纹尖端应力强度因子5.49 MPa·m~(1/2),径向裂纹张开距离大于周向裂纹张开距离,证明制动盘表面裂纹分布以径向裂纹为主且径向裂纹尺寸大于周向裂纹。     

计算应力强度因子的无网格-直接位移法

目前计算裂纹尖端应力强度因子的无网格法一般均采用。积分方法，但由于该方法为间接求解，降低了求解精度与求解效率。文中采用无网格—伽辽金方法，选取带有扩展基的奇异基函数，以精确计算裂纹尖端位移场，并借鉴有限元法中计算应力强度因子的直接位移法，提出一种计算含裂结构裂纹尖端应力强度因子的新方法，即无网格—直接位移法。数值计算结果表明，该方法具有简捷、高效的特点，可以准确计算裂纹尖端应力强度因子。     

复合材料再制造胶接对裂纹扩展的影响

论述了疲劳性能的重点指标裂纹扩展速率,利用有限元软件Ansys对再制造胶接前后结构建模,运用参数化设计语言APDL命令KCALC计算裂纹尖端应力强度因子,研究了不同因素对应力强度因子变化幅值ΔK的影响,进而分析对裂纹扩展速率的抑制程度。结果表明,复合材料再制造胶接技术能有效抑制裂纹的扩展,提高结构疲劳性能。     

小范围屈服条件下复合材料裂纹尖端塑性区分析

基于复合材料力学,推导Tsai-Hill强度准则在平面应力和平面应变条件下的一般表达式,得到了小范围屈服条件下,含中心裂纹无限大板Ⅰ型裂纹、Ⅱ型裂纹和Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹尖端塑性区的解析解。针对不同裂纹倾角及泊松比 和,对裂尖塑性区进行了计算和分析。结果表明平面应变条件下塑性区范围小于平面应力条件下塑性区范围,参数、和 对复合材料裂尖塑性区范围和形状有明显的影响,不同的参数值得到的塑性区结果差别很大。另外,该解既适用于各向异性复合材料,也适用于各向同性材料。     

The effect of deformation anisotropy on the plastic zone at the tip of a crack under biaxial loading

A theoretical analysis for investigating the form and dimension of the plastic zone in the tip of a crack in a plate made from a material with deformation anisotropy is presented. The anisotropy is explained by the hardening process during plastic deformation caused by loading along a straight-line trajectory until a crack is formed in the plate plane. The idea of this method is to take into account the second term in the Williams’ series representation in eigenfunctions for stress components for the 2D case. The contribution of the second term in the Cartesian coordinate system is independent of the distance from the crack tip for the K ₁ − T concept. It is shown that for the case of anisotropy, the dimension of the plastic zone decreases. The stress along the crack’s axis changes the plastic zone significantly.     

基于统一强度理论的断裂准则

基于统一强度理论,在小范围屈服条件下,推导Ⅰ、Ⅱ复合型裂纹裂尖塑性区范围的统一解析解。给出不同拉压比α、泊松比υ、中间主应力影响参数b以及裂纹倾角β下的一族塑性区形状与大小的轨迹,讨论以上参数对裂尖塑性区变化的影响。最后基于裂纹尖端塑性区的解析解,提出了一种复合型裂纹断裂准则,分析了裂纹倾角与初始断裂角的关系。结果表明,该准则预测结果比其它准则更精确,与试验结果吻合得非常好。     

复合型裂纹小范围屈服下裂尖塑性区统一解

采用俞茂宏统一强度理论,推导Ⅰ、Ⅱ复合型裂纹在小范围屈服条件下裂尖塑性区尺寸的统一解析解.给出材料参数在不同拉压比α、泊松比v和中间主应力影响参数b下的一族裂尖塑性区形状与大小的轨迹.讨论以上参数对裂尖塑性区变化的影响,其中拉压比α对塑性区影响较大,α≠1导致塑性区在裂纹上下表面处不连续,b=0和b=1分别对应裂尖塑性区的上限、下限边界.同Tresca准则、Mises准则的解进行比较分析,已有解均是它的特例或线性逼近,该理论解具有理论的统一性和对不同材料的普适性.     

非均质焊接接头裂纹尖端塑性区

采用平面应力弹塑性大应变有限元法分析了非均质焊接接头裂纹尖端塑性区的扩展规律，指出在非均质焊接接头中存在着塑性变形的不同时性与不均匀性，且焊缝金属强度匹配、材料本构关系以及裂纹长度（韧带长度）对塑性区的发生发展均有重要影响。     

Computer simulations of the dynamic behavior of three point bend specimens

Computer simulations of the mechanical behavior of a three point bend specimen with a quarter notch under impact load are performed. Two cases with different load application points at the side and at the middle of the specimen are considered. An elastic-plastic von Mises material model is chosen. Three phases such as impact, bouncing and bending phases are found to be identified during the period from the moment of impact to the estimated time for crack initiation. The quasi static case is compared with the above two cases. It is clearly shown that no plastic deformation near the crack tip is appeared at the impact phase. However, it is confirmed that the plastic zone near the crack tip emerges in the second phase and the plastic hinge has been formed in the third phase i.e., at the end of which a quasi static state is reached.     

基于红外热成像的镁合金疲劳裂纹扩展的研究

采用红外热成像技术监测疲劳裂纹扩展过程中试件表面温度的变化情况,对AZ31B镁合金板材室温下的疲劳裂纹扩展特征进行研究。分析疲劳裂纹尖端温升值与裂纹长度的对应关系,试件表面温度分布差异与裂纹扩展趋势的关系,探索镁合金材料疲劳裂纹扩展的规律。试验结果表明,疲劳裂纹扩展过程中,镁合金表面温度变化经过一个升温、降温的过程,在稳定扩展阶段,温度变化不大,在快速扩展阶段,温度呈明显上升趋势。三组试件最高温升值分别为A试件10.89℃、B试件15.19℃、C试件12.37℃。裂纹尖端及其附近组织观察发现,裂纹尖端发生转向,裂纹总体为穿晶断裂,并伴随少量沿晶断裂,在裂纹附近区域有少量塑性变形。疲劳试件表面的最高温度区域与材料的疲劳损伤机制相关,该区域对应材料的应力集中区,是疲劳微裂纹形成与扩展的部位,温度变化与试件的最终断面相吻合。     

Limiting State of Pipelines and Plastic Zone at the Crack Tip

An equation characterizing the stability loss in elastoplastic deformation is proposed for a complex stress state under the influence of the transverse-deformation coefficient. The influence of the transverse-deformation coefficient on the radius of the plastic zone at the crack tip is determined in the cases of a plane stress state and plane deformation.     

Optimisation Method for Determination of Crack Tip Position Based on Gauss-Newton Iterative Technique

In the digital image correlation research of fatigue crack growth rate,the accuracy of the crack tip position determines the accuracy of the calculation of the stress intensity factor,thereby affecting the life prediction.This paper proposes a Gauss-Newton iteration method for solving the crack tip position.The conventional linear fitting method provides an iterative initial solution for this method,and the preconditioned conjugate gradient method is used to solve the ill-conditioned matrix.A noise-added artificial displacement field is used to verify the feasibility of the method,which shows that all parameters can be solved with satisfactory results.The actual stress intensity factor solution case shows that the stress intensity factor value obtained by the method in this paper is very close to the finite element result,and the relative error between the two is only-0.621％;The Williams coefficient obtained by this method can also better define the contour of the plastic zone at the crack tip,and the maximum relative error with the test plastic zone area is-11.29％.The relative error between the contour of the plastic zone defined by the conventional method and the area of the experimental plastic zone reached a maximum of 26.05％.The crack tip coordinates,stress intensity factors,and plastic zone contour changes in the loading and unloading phases are explored.The results show that the crack tip change during the loading process is faster than the change during the unloading process;the stress intensity factor during the unloading process under the same load condition is larger than that during the loading process;under the same load,the theoretical plastic zone during the unloading process is higher than that during the loading process.     

高撕裂阻力金属延性断裂韧度测试方法探讨

讨论现行J积分测试方法在测定高撕裂阻力(dJ/da)金属延性断裂韧度JIC时所遇到的困难,结合工业金属冶金组织特性分析裂纹试样受力后的钝化、启裂及裂纹稳态扩展过程,并给出此类材料的JIC测试方法.研究指出,裂纹启裂过程是一个由塑性变形为主导的裂纹顶端伸张变形和裂尖钝化向微孔型断裂过渡的过程;开裂点实际上是在漫长的裂纹前沿上大部分地方完成这一过渡,裂尖伸张区(stretched zone, SZ)达到饱和,微孔开裂机制开始占据主导地位的标志.采用直线和幂函数形式拟合启裂后的J-Δa关系,以及采用幂函数形式拟合启裂前与启裂后全过程的J-Δa关系均可得到很相近的相关性,且在一定程度上,后者显得更合理.