带有两个共线裂纹载流薄板的温度场及热应力强度因子

采用复变函数的方法,给出带有两个等长度共线穿透裂纹的无限大载流薄板在瞬间电流作用下,裂纹尖端附近产生的温度场的表达式,得到温度在裂纹尖端的奇异特征.在通入垂直于裂纹的均匀电流作用下,由于裂纹的存在,裂纹尖端出现绕流现象,产生焦耳热,瞬时高温形成点热源.通过点热源在金属薄板内形成的温度场,可以导出裂纹尖端产生的热应力强度因子表达式.将其与外载荷产生的应力强度因子叠加,可建立通电状态下的断裂判据.算例分析表明,点热源在裂纹尖端附近产生的热应力强度因子为负值,可以部分抵消无穷远处施加的拉应力产生的应力强度因子的作用,进而达到止裂的目的.文中建立带有两个等长度共线穿透裂纹载流薄板的热应力强度因子的概念.其研究结果对工程结构实施电磁热效应裂纹止裂具有理论意义和实用价值.     

金属板裂纹尖端电磁热场边界元解析

给出金属板在高密度电流脉冲下裂纹尖端电流肤效应和急剧发热升温解析的边界元法,本法在时频转换,差分格式和时变基本解等三种解法中采用时变基本解建立边界积分方程。文中列举钢板裂纹尖端电流密度和温度场算例,并与试验结果和温度场函数解分布曲线作了对比,吻合较好,本文为开发金属结构,轧辊及铸管模等电磁热止裂及延寿工艺技术提供高精度快速定量数值解法。     

载流薄板裂纹尖端的电热效应

针对含有裂纹的导电平板提出一种计算电流密度分布的新方法。该方法通过构造含有圆孔簿板的势函数并将其转换为复位函数，成功地求解含有裂纹导电薄板的电流密度分布，进而揭示裂纹尖端的电热效应集中现象，为电热裂纹止裂提供理论依据和计算方法。     

载流薄板内裂尖附近的应力场

研究了带有有限长裂纹的导电薄板在垂直于裂纹的方向上通入直流电流时，裂纹的止裂问题。在满足电磁量边界条件的情况下，根据导电体的麦克斯威尔方程，得到裂纹尖端附近附近焦耳热源功率的表达式。通过热传导方程的求解，推得尖端区域的温度场和应力场的计算式，并给出算例分析。从而表明在电流所产生的焦耳热源的作用下，裂尖处的温度将升高，并伴随着产生的压应力，可达到阻止裂纹扩展的目的。     

电磁热效应止裂效果与电流通路尺寸关系的研究

从理论、试验和数值模拟三方面研究利用电磁热效应技术对具有单边裂纹的导体进行止裂时，由于裂纹尺寸不同使得导体中电流通路尺寸不同，从而导致裂纹尖端的温度场、温度梯度场分布状态的不同。理论分析、试验研究和数值模拟结果均表明：由于电流产生的焦耳热源的作用，能够在裂纹尖端处很小的范畴内熔化形成焊口，遏制裂纹的扩展；导体中裂纹的长度（即导体中电流通路尺寸）是影响裂纹尖端温度场和温度梯度场的主要因素。     

激光止裂过程中温度场数值模拟研究

以含裂纹的304不锈钢紧凑拉伸试件作为研究对象,研究利用激光技术对裂纹尖端止裂的新方法。基于有限元分析软件ABAQUS建立了激光止裂温度场数值模型;通过与实验对比,验证了304不锈钢裂纹尖端激光止裂温度场模型的准确性;分析了不同工艺参数下激光止裂熔池形状和温度分布情况,结果表明:熔池深度和宽度随着激光功率的增大同步增大,随着加热时间的增加同步增大,随光斑直径的增大同步减小;熔池形状相对光轴中心成对称分布;熔池各层面上的最高温度点均位于光束中心处。     

含埋藏孔洞缺陷金属构件电磁热止裂强化分析

电磁热效应可以实现含半埋藏裂纹、埋藏裂纹金属构件的止裂强化。针对实践中铸件和锻件内往往存在孔洞形式的缺陷,从理论和数值模拟角度分析了电磁热对其强化的效果,导出了球体绕流的电流密度和温度场分布。研究表明:孔洞缺陷可处理成广义埋藏裂纹缺陷,应用电磁热止裂强化是可行的。放电后,在垂直于通电方向,球形中截面上形成绕流现象,瞬间温度超过了材料的熔点,形成焊口,产生的热压应力显著降低了应力集中,从而抑制了孔洞缺陷受力时的扩展,达到了止裂强化效果。     

含半埋藏空间裂纹的Cr12冷冲凹模电磁热止裂分析

对内表面含有半埋藏半椭圆裂纹的Cr12冷冲凹模进行了电磁热止裂研究。采用数值分析的方法,对放电瞬间的耦合场进行了分析,给出了半埋藏半椭圆裂纹尖端附近温度场的分布状态;通过ZL-2型放电装置实现了半椭圆裂纹切片试样的止裂实验研究。研究结果表明：脉冲电流放电瞬间,围绕裂纹尖端的金属熔化,钝化了裂尖,得到了超细化的金属组织,提高了裂纹尖端的机械性能,阻止了干线裂纹源的开裂趋势,达到了止裂的目的。在数值模拟研究过程中采用热-电耦合的分析方法,综合考虑了材料非线性、状态变化非线性和几何非线性,数值模拟结果与实验结果比较相符。     

具有圆弧裂纹载流薄板的温度效应分析

给出含有圆弧裂纹的载流薄板在通入强大脉冲电流瞬间，裂纹尖端处温度场分布的复变函数解。该解是在首先求解通电瞬间，裂纹尖端处所形成的点热源功率的情况下得到的。它为进一步求解裂纹尖端处的应力场奠定了基础。文中给出的算例表明，适当控制通入的电流强度，可以达到有效控制裂尖熔化区尺寸以及形成焊口的目的。     

含埋藏椭圆型裂纹的构件脉冲放电瞬间的耦合场分析

采用数值分析的方法,对含三维埋藏椭圆型裂纹的构件放电瞬间的耦合场进行分析。计算脉冲放电瞬间椭圆形裂纹尖端附近的温度场和等效应力场的分布状态;并通过改变模型尺寸的模拟分析影响放电参数的主要因素。计算结果表明,由于电流绕流产生的焦耳热源的作用,裂纹尖端处温度瞬时急剧升高,但沿椭圆形裂纹尖端的温度值并不相同,最大值发生在长轴附近,只要放电电流的强度足够大,可以使椭圆环形裂尖均熔化形成焊口,并围绕环形裂纹尖端附近产生很大的热压应力场,可有效地遏制裂纹的扩展;在相同放电电流强度下,对椭圆裂纹尖端温度影响较大的是裂纹的绝对尺寸和椭圆长短轴的相对尺寸。在研究过程中分成热一电耦合和热一应力耦合两个过程,综合考虑材料非线性、状态变化非线性和几何非线性,结果比较符合实际。     

带有圆形半埋藏裂纹金属构件放电瞬间的温度场分析

应用复变函数理论,采用曲线坐标变换的方法,对带有圆形半埋藏裂纹金属构件在放电瞬间裂纹尖端区域附近的温度场进行理论分析。并借助于有限元软件,建立三维模型,模拟分析了在放电瞬间裂纹尖端区域附近温度场、温度梯度场的分布状态。计算结果表明:在圆形半埋藏裂纹尖端处,由于电流产生的焦耳热源的作用,使其温度瞬时急剧升高,能够在很小的范围内熔化形成微小的焊口,裂纹前缘的曲率半径增加了几个数量级,显著地减少了应力集中,有效地遏制了裂纹的扩展;数值模拟与理论分析结果吻合。     

Numerical calculation and experimental research on crack arrest by detour effect and joule heating of high pulsed current in remanufacturing

The remanufacturing blanks with cracks were considered as irreparable. With utilization of detour effect and Joule heating of pulsed current, a technique to arrest the crack in martensitic stainless steel FV520B is developed. According to finite element theory, the finite element（FE） model of the cracked rectangular specimen is established firstly. Then, based on electro-thermo-structure coupled theory, the distributions of current density, temperature field, and stress field are calculated for the instant of energizing. Furthermore, the simulation results are verified by some corresponding experiments performed on high pulsed current discharge device of type HCPD-I. Morphology and microstructure around the crack tip before and after electro pulsing treatment are observed by optical microscope（OM） and scanning electron microscope（SEM）, and then the diameters of fusion zone and heat affected zone（HAZ） are measured in order to contrast with numerical calculation results. Element distribution, nano-indentation hardness and residual stress in the vicinity of the crack tip are surveyed by energy dispersive spectrometer（EDS）, scanning probe microscopy（SPM） and X-ray stress gauge, respectively. The results show that the obvious partition and refined grain around the crack tip can be observed due to the violent temperature change. The contents of carbon and oxygen in fusion zone and HAZ are higher than those in matrix, and however the hardness around the crack tip decreases. Large residual compressive stress is induced in the vicinity of the crack tip and it has the same order of magnitude for measured results and numerical calculation results that is 100 MPa. The relational curves between discharge energies and diameters of the fusion zone and HAZ are obtained by experiments. The difference of diameter of fusion zone between measured and calculated results is less than 18.3%. Numerical calculation is very useful to define the experimental parameters. An effective method to prevent further extensi