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%.     

疲劳载荷循环比与频率对裂纹扩展速率的影响

主要研究了具有不同循环比与不同加载频率的疲劳载荷作用下线弹性裂纹扩展问题.通过分析论证,定量地计算出具有不同循环比与不同加载频率的疲劳载荷作用下直线裂纹和弯曲裂纹的扩展速率.综合考虑了疲劳作用应力、裂纹尖端应力强度因子的变化幅值,总结出直线裂纹和弯曲裂纹扩展速率关于疲劳载荷循环比和加载频率的变化函数.     

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.     

滚子链链板疲劳裂纹的萌生及扩展

通过对带孔试件疲劳过程的动态观察，得到疲劳裂纹的萌生寿命及扩展速率；采用有限元法计算出在不同载荷及不同裂纹长度下带孔试件和标准链板（２４Ａ）的裂纹尖端应力强度因子幅值△Ｋ。从而，可以根据Ｐａｒｉｓ公式ｄａ／ｄＮ＝Ｃ（△Ｋ）＾ｎ得出滚子链链板疲劳裂纹的萌生及扩展规律。     

滚子链链板疲劳裂纹的萌生及扩展

通过对带孔试件疲劳过程的动态观察，得到疲劳裂纹的萌生寿命及扩展速率；采用有限元法计算出在不同载荷及不同裂纹长度下带孔试件和标准链板（２４Ａ）的裂纹尖端应力强度因子幅值△Ｋ。从而，可以根据Ｐａｒｉｓ公式ｄａ／ｄＮ＝Ｃ（△Ｋ）￣ｎ得出滚子链链板疲劳裂纹的萌生及扩展规律。     

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.     

高载作用下的疲劳裂纹闭合与残余应力作用

工程结构经常受到变幅载荷的作用,施加的高载对结构中的疲劳裂纹扩展有明显影响,了解高载作用机理对于随机载荷谱下的裂纹扩展预测十分重要。基于塑性诱导裂纹闭合原理,运用弹塑性有限元法模拟疲劳裂纹扩展。阐述了所采用的裂纹扩展模拟方法及确定裂纹张开和闭合应力的原理,计算获得等K基本载荷循环下的裂纹闭合特性和残余应力分布规律。重点分析在基本循环中插入单个拉伸超载、单个压缩超载和单个拉伸超载后紧跟单个压缩超载等情况下裂纹的张开、闭合应力及残余应力分布随裂纹扩展的变化规律。结果表明,超载在裂尖前方和裂纹尾迹区引起的压缩残余应力是导致裂纹闭合应力水平升高和裂纹扩展迟滞的重要原因。裂纹闭合效应在拉伸超载后瞬时减弱,但会随着裂纹扩展快速上升至超过正常水平;单纯的压缩超载对裂纹闭合的削弱可以忽略不计,但紧跟在拉伸超载之后的压缩超载将导致裂纹闭合效应减弱,削弱拉伸超载下的裂纹扩展迟滞效应。     

塔机起重臂钢结构疲劳裂纹扩展的数值分析

塔式起重机起重臂的断裂主要由疲劳破坏即疲劳裂纹扩展引起,针对其焊接结构中不可避免地出现裂纹的现象,利用ABAQUS建立塔式起重机起重臂有限元模型并求解,计算变幅小车满载和空载状态下塔机起重臂下弦杆与水平腹杆焊接处不同裂纹长度对应的应力强度因子,通过建立裂纹应力强度因子幅与裂纹长度的函数关系估算塔机起重臂的疲劳寿命.结果表明:塔机起重臂下弦杆与水平腹杆焊接处裂纹的应力强度因子幅随裂纹长度的增加而增大,当裂纹长度达到一定值后,应力强度因子幅呈指数型增大,结构的疲劳寿命急剧下降.故焊接结构在制造、使用等环节应采取有效措施减少焊接缺陷、防止裂纹扩展,从而提高其使用寿命.     

高强度钢随机载荷下裂纹扩展模型

工程结构在全寿命周期内大多都承受随机载荷作用，随机载荷中载荷顺序对裂纹扩展有显著影响．用基于裂纹闭合现象的裂纹扩展模型依次模拟恒幅载荷、过载峰及随机载荷作用下的疲劳裂纹扩展．通过裂纹张开应力反映裂纹闭合效应，将Paris公式计算疲劳裂纹扩展，将有效应力强度因子范围代入Paris公式中计算，并用高强度钢程序块载荷下疲劳实验结果与计算结果比较．结果证明，基于裂纹闭合现象的裂纹扩展模型能很好地模拟随机载荷下的疲劳裂纹扩展，理论计算结果与试验结果相吻合，具有工程实用价值．     

破损舰体结构疲劳裂纹扩展试验研究

针对破损舰船的疲劳寿命问题,采用预制缺口的疲劳试样模拟破损舰体结构,利用液压伺服疲劳试验机对舰用疲劳试样进行了拉伸疲劳试验,研究了平板和加筋板预制缺口疲劳试样在拉伸疲劳载荷作用下的裂纹扩展规律,确定了不同疲劳应力幅值作用下疲劳试样裂纹开裂的临界疲劳次数,得出了裂纹长度、疲劳载荷循环次数和疲劳应力幅值之间的拟合关系式,并与高频疲劳试验进行了比较.试验结果对预报破损舰船在波浪中航行时的裂纹扩展情况有重要参考价值.     

桥式起重机桥架的三维有限元分析

以某冷轧带钢厂现役50 t×33 m桥式起重机为研究对象,采用有限元法对桥式起重机桥架结构进行了应力分析。结果表明,主梁跨中焊缝应力最大,且存在严重应力集中,是桥式起重机的主要裂纹源,亦是桥式起重机在承载能力方面的薄弱环节。     

Correlation of the positive stress ratio effects on fatigue crack propagation rate of aluminium alloys based on a new parameter da/dS

In-situ SEM （Scanning Electron Microscope） observation of fatigue crack propagation in aluminium alloys reveals that crack growth occurs in a continuous way over the time period during the load cycle. Based on this observation, a new parameter da/dS is introduced to describe the fatigue crack propagation rate, which defines the fatigue crack propagation rate with the change of the applied stress at any moment of a stress cycle. The relationship is given between this new parameter and the conventional used parameter da/dN which describes the fatigue crack propagation rate per stress cycle. Using this new parameter, an analysis has been performed and a model has been set up to consider the effect of the applied stress ratio on the fatigue crack propagation rate. The obtained results have been used to correlate the published test data and a good correlation has been achieved. This method is very easy to use and no fatigue crack closure measurement is needed, therefore this model is significant in engineering application.     

塔式起重机钢结构疲劳寿命研究

该文提出一种基于有限元法的塔式起重机钢结构疲劳寿命估算的方法。首先建立塔式起重机有限元模型并计算静应力,再确定载荷时间历程。将塔式起重机所受的疲劳载荷划分为变幅载荷和冲击载荷。对于变幅载荷,采用现场观测数据并运用数理统计的方法,揭示出变幅小车在起重臂下弦杆的每跨轨道上运行的频数与起重臂的坐标成正态分布。以1d为1个周期,计算出变幅载荷的时间历程。对于冲击载荷,采用瞬态响应方法,得到主要工况下起升钢丝绳内的内力时间关系,获得冲击载荷的时间历程。将塔式起重机结构静应力值、变幅载荷时间历程、冲击载荷时间历程和材料疲劳属性输入MSC．FATIGUE软件,计算得到其钢结构的疲劳寿命。     

疲劳裂纹在焊接接头中的扩展及裂纹闭合的研究

焊接接头疲劳裂纹的扩展过程中存在着闭合现象．本文提出了考虑到宏观力学不均匀性时焊接接头的实验及数值分析模型,通过实验及弹塑性有限元法研究了焊接接头疲劳裂纹扩展及闭合现象,分析了裂纹尖端应力分布的变化．结果表明,焊接接头疲劳裂纹的扩展受裂纹闭合的影响,加载过程中裂纹尖端应力过零时对应的外载可作为裂纹张开载荷Pop．同时讨论了力学不均匀性影响疲劳裂纹扩展的本质．     

30Cr1Mo1V转子钢应力强度因子有限元分析

通过采用20节点solid186退化奇异单元,利用ANSYS软件,对三维断裂参量进行计算和分析,结果表明位移法和J积分法确定应力强度因子是可行的;对一定尺寸的紧凑拉伸试样三维裂纹进行分析,得出30Cr1Mo1V转子钢裂纹尖端KI随裂纹长度和载荷水平改变时的变化规律,为研究汽轮机转子裂纹扩展规律提供了合理、有效的方法.     

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.     

CFRP加固前后桥梁构件超载疲劳试验研究

为了精确评估桥梁服役期间超载运营引发的疲劳损伤和失效风险,在对车辆荷载调查的基础上开展了采用碳纤维布 (CFRP) 加固前后桥梁构件的疲劳试验,分别模拟了一般超载运营、严重超载运营和组合超载运营状态,测试了结构构件超载运营后的承载能力,并对超载运营中的截面应变、裂缝形态、最大裂缝宽度和挠度等参数随超载循环次数的变化规律进行了监测.试验表明：超载运营对桥梁结构的影响主要以疲劳损伤的形式体现,且影响结构的变形能力;单纯衡量结构构件的承载能力不能反映结构的真实服役状态.在模拟超载的低周高应力循环作用下,截面应变随着疲劳次数的增加而持续增长,可近似满足平截面假设.超载运营下桥梁构件的疲劳性能应以钢筋应变和跨中挠度为主要控制指标.     

应用无网格伽辽金法模拟疲劳裂纹扩展问题

无网格伽辽金法(EFGM)是近年来兴起的无网格法的一种,与传统的有限元等数值计算方法相比,它只需要节点信息和计算域的几何边界.由于不需要网格重构,裂纹扩展只需要通过自由裂纹面的延伸来模拟,这大大简化了裂纹模拟的过程.本文综述了EFGM在疲劳裂纹扩展中的应用,对扩展基的使用、权函数的选择及裂纹扩展的模拟方法和动态应力强度因子的计算进行了论述     

人工心瓣热解炭表面微裂纹应力强度因子分析

人工机械心瓣热解炭涂层表面存在着微小缺陷,大多以半椭圆裂纹的形式存在,在载荷作用下易发生扩展甚至断裂。应力强度因子是判断裂纹是否进入失稳状态的一个重要指标。该文利用三维断裂分析软件,结合有限元分析软件计算了人工心瓣热解炭中心半椭圆裂纹拉伸试样不同位置处的K I,并与基于实验基础的理论值进行对比,同时讨论了初始裂纹大小、位置和形状对K I的影响,结果表明:计算值与理论值最大相对误差不超过3%,验证了该软件计算热解炭K I的有效性,K I随初始裂纹尺寸增大而增大;初始裂纹位于试样中心或边缘对K I几乎没有影响;裂纹长半轴与短半轴比值越接近1,计算结果越稳定。     

铸造起重机桥架结构分析与局部改进

铸造起重机载荷谱系数大、使用频繁、工作级别高,其桥架在作业时承受繁重的载荷作用。对于薄板焊接的桥架结构而言,构造复杂的部位会存在应力集中问题。针对传统计算很难周全考虑和准确评价桥架结构复杂部位应力分布规律的情况。采用有限元分析方法,在建立逼近真实的离散化模型的基础上,通过有限元分析软件,对现有的铸造起重机的桥架进行了力学性能分析,并和传统计算结果加以对比研究。在此基础上,对桥架结构局部构造的合理性进行评价与改进,使设计方案得到优化,保证铸造起重机桥架结构的工作安全性。