7050铝合金Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹研究

为研究7050铝合金在Ⅰ-Ⅱ型复合加载下疲劳裂纹扩展规律,在Amsler HFP5000高频试验机上利用Richard加载装置,完成紧凑拉剪(CTS)试样疲劳裂纹扩展试验,利用有限元对Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹进行数值模拟,采用APDL命令流计算不同裂纹长度的应力强度因子,并引入最大周向应力准则计算裂纹扩展角,用有限元计算等效应力强度因子,并绘制不同加载角下的疲劳裂纹扩展速率曲线,在扫描电镜下观察裂纹扩展断口,分析断口形貌。研究结果表明:有限元数值模拟预测Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展角与试验值基本一致;引入当量应力强度因子后不同加载角下的I-Ⅱ型裂纹扩展速率曲线与Ⅰ裂纹的曲线基本重合;扫描电镜下疲劳断口为准解理断裂,断口的粗糙度与加载角有关,加载角越小,断口表面越粗糙。     

有限板共线多孔MSD疲劳裂纹扩展有限元模拟

介绍了二维断裂分析有限元软件FRANC2D/L在疲劳裂纹扩展模拟方面的基本步骤．利用该软件对有限板中心孔边对称裂纹的疲劳裂纹扩展进行模拟计算,对比模拟结果和试验数据,发现两者吻合良好,证明了利用该方法模拟疲劳裂纹扩展的可靠性．将FRANC2D/L应用到有限板共线多孔MSD疲劳裂纹扩展的有限元模拟上,得到了各孔边裂纹的长度和疲劳扩展寿命之间的关系曲线．模拟计算结果表明,在相同条件下,有限板中心孔边对称裂纹的裂纹扩展寿命要远远高于MSD结构中中心孔边裂纹的疲劳扩展寿命;由于MSD结构中影响各孔边裂纹的因素有所差异,各条裂纹的疲劳扩展寿命也会有所不同．另外,还给出了不含主裂纹的MSD和含主裂纹的MSD两种情况下的疲劳裂纹扩展历程,通过比较得知,含主裂纹的MSD结构更容易发生裂纹的合并和贯穿致使结构发生破坏．     

梯度钛合金裂纹扩展速率测试及梯度对扩展寿命影响

为明确梯度材料中裂纹扩展速率分布情况,对含裂纹TC11-TC4以及TA15-TA2两种组合梯度钛合金进行标准三点弯疲劳试验。试验结果表明:梯度结构中不同部位的相同组分扩展性能相同,给出了4种3D打印组分钛合金的Paris公式;梯度材料组分弹性模量的变化会改变裂纹尖端应力强度因子,对位于模量较低一侧的裂纹扩展有抑制作用;过渡层影响厚度范围内裂纹扩展速率介于两种组分之间且连续过渡,表明梯度材料可以消除异种材料连接的界面效应,提出基于组分材料体积分量的混合率描述梯度层中扩展性能的分布规律;恒定载荷试验中仅扩展方向不同情况下寿命有显著差别,验证了合理安排梯度参数可提高结构出现裂纹后的生存能力,其中扩展性能以及模量的变化分布对扩展寿命均有影响。     

爆炸复合钢板疲劳裂纹的增长行为

通过在不变的应力强度因子范围内进行疲劳裂纹增长试验及通过对疲劳裂纹增长进行有限元弹-塑性分析,研究了爆炸复合钢板疲劳裂纹的增长行为。探讨了初始残余应力、硬化层和每一原始材料的屈服点对裂纹传播的影响。由有复合界面、接近界面的硬化层和残余应力的爆炸复合材料的检验得出如下结论:疲劳裂纹增长速率与应力强度因子范围无关,但与裂纹尖端应变范围的最大值紧密相关。     

受压弯作用构件半椭圆表面裂纹的疲劳扩展分析

本文给出了半椭圆表面裂纹疲劳扩展的一种有限元仿真分析方法,并对潜艇锥柱结合壳焊趾处压弯联合交变载荷作用下的裂纹扩展进行了计算分析。该方法利用有限元分析计算裂纹前沿应力强度因子,采用Paris公式预测裂纹扩展速率及扩展量,对有限元网格随着裂纹的扩展进行自动重构,从而模拟分析裂纹的疲劳扩展过程。考察了两种初始尺寸半椭圆表面裂纹的情况,计算了裂纹尺寸、应力强度因子随裂纹扩展的变化历程。仿真计算结果表明,初始裂纹尺寸对于疲劳扩展的影响主要体现在初、中期的扩展上,对后期的扩展速率、裂纹形态影响不大;当考虑了焊接区应力集中效应后,扩展的速度提高,总的疲劳扩展寿命下降。本文方法和程序可用于其他较复杂构件表面裂纹的扩展分析。     

梯度复合材料裂纹扩展路径和起裂载荷的有限元分析

为了模拟功能梯度材料(FGM)在工程应用中可能会出现的断裂问题并计算相应的开裂载荷,通过编写用户自定义UEL子程序将梯度扩展单元嵌入到ABAQUS软件中模拟功能梯度材料的物理场,并编写交互能量积分后处理子程序计算裂纹尖端的混合模式应力强度因子(SIF),采用最大周向应力准则编写子程序计算裂纹的偏转角,并模拟了裂纹扩展路径,计算了裂纹的起裂载荷。讨论了材料梯度参数对裂纹扩展路径以及起裂载荷的影响规律。通过与均匀材料的对比,验证了功能梯度材料断裂性能的优越性。研究表明:外载平行于梯度方向时,垂直梯度方向的初始裂纹朝着等效弹性模量小的方向扩展,且偏转角在梯度指数线性时出现峰值,并随着组分弹性模量比的增加而变大;当外载和初始裂纹均平行于梯度方向时,材料等效弹性模量和断裂韧性的增加或者梯度指数的减小都导致起裂载荷变大。     

预制疲劳裂纹应力强度因子幅对超高强度钢断裂韧度的影响

采用多试样法对D406A超高强度钢进行了准静态断裂韧度KⅠC试验,分析了不同应力强度因子幅预制疲劳裂纹对疲劳预裂纹扩展周期、疲劳预裂纹扩展速率、试样断口形貌以及最终断裂韧度试验结果的影响。结果表明:疲劳预裂纹扩展周期和扩展速率均与应力强度因子幅呈指数变化规律,断口上的疲劳裂纹间距及最终断裂韧度试验结果均随应力强度因子幅的增大而增大,在材料断裂韧度KⅠC的20%~30%选择最大应力强度因子进行KⅠC试验结果较为稳定。     

压印连接接头的疲劳裂纹扩展分析及实验研究

研究了压印连接接头的强度性能,介绍了压印连接成形原理和工艺过程。分析了压印连接接头的表面裂纹的产生原因,通过有限元分析得出最大应力应变的位置并以实验加以验证。采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对压印连接接头疲劳裂纹扩展进行数值模拟。分析了平均应力、应力比和加载频率对压印连接接头的疲劳裂纹扩展速率的影响。     

颗粒和微观结构对Cu/WCp复合材料疲劳裂纹萌生和扩展行为的影响

通过原位扫描电子显微镜(SEM)研究了粉末冶金制备的Cu/WCp复合材料的疲劳裂纹萌生和扩展行为,分析了颗粒和微观结构对Cu/WCp复合材料疲劳裂纹萌生和早期扩展行为的影响。结果表明:疲劳微裂纹萌生于WCp颗粒和基体Cu的界面;微裂纹之间相互连接并形成主裂纹,当主裂纹和颗粒相遇时裂纹沿着颗粒界面扩展。在低应力强度因子幅ΔK区域疲劳小裂纹具有明显的"异常现象",并占据了全寿命的71%左右。疲劳小裂纹的早期扩展阶段易受局部微观结构和颗粒WCp的影响,扩展速率波动性较大,随机性较强;当小裂纹长度超过150μm时,裂纹扩展加快直至试样快速断裂。裂纹偏折、分叉和塑性尾迹降低了疲劳裂纹扩展速率,而颗粒界面脱粘则提高了复合材料的疲劳裂纹扩展速率。通过数值模拟也可以发现颗粒脱粘增大了材料的疲劳扩展驱动力,从而提高了疲劳裂纹扩展速率。     

反应堆压力容器压力-温度限值曲线参数敏感性分析

该文介绍了2007版RCCM规范和2010版ASME规范对反应堆压力容器压力温度(P-T)限值曲线计算的改进,并基于2007版RCCM规范提出了新的P-T计算流程。通过3D有限元分析,研究了裂纹尺寸、降温速率、应力强度因子塑性修正、堆焊层结构等因素对P-T曲线的影响。数值分析表明裂纹尺寸和堆焊层结构对P-T曲线有较大影响;应力强度因子塑性修正过程对P-T曲线影响有限;若参考RCCM规范计算P-T曲线,则降温速率对计算结果影响较大;若参考ASME规范计算,则降温速率对计算结果影响不大。     

双轴弯曲载荷下表面裂纹应力强度因子的数值计算

本文通过FRANC3D软件计算双轴弯曲载荷下表面裂纹前缘的应力强度因子,数值计算和理论计算结果基本吻合;通过等裂纹面积不同纵横比的表面裂纹前缘应力强度因子的分析可知:当表面裂纹为浅裂纹时,等裂纹面积下a/c=1/3时椭圆表面裂纹最为危险;当表面裂纹为深裂纹时,等裂纹面积下a/c=2时椭圆表面裂纹最为危险。     

轮轨摩擦接触下钢轨多裂纹相互作用研究

利用热机耦合有限元法,建立了轮轨摩擦接触时钢轨表面多裂纹的热弹性平面应变有限元模型。数值模型中,考虑轮轨摩擦温升对轮轨材料参数的影响,通过移动载荷和热源来模拟运动车轮对钢轨的作用。分析了轮轨滑动接触时多裂纹相互作用和表面裂纹数量对钢轨疲劳裂纹扩展特性的影响。计算结果表明:与单个裂纹相比,多裂纹有降低钢轨疲劳裂纹扩展的作用;钢轨裂纹尖端应力强度因子K1和应力强度因子范围?K2均随裂纹数的增多而减小;钢轨表面裂纹数为5条时可以反映更多裂纹时的裂纹扩展特性。     

新的估算表面裂纹应力强度因子经验公式

该文给出了新的估算拉伸和纯弯曲载荷下表面裂纹应力强度因子的经验公式。根据疲劳裂纹扩展的数值模拟结果确定强度因子分布函数;利用按已知应力强度因子分布函数求裂纹形状及相应应力强度因子的方法计算给定尺寸的表面裂纹的应力强度因子;通过对数值结果的曲线回归得到估算表面裂纹应力强度因子经验公式。利用该公式对有限厚度和宽度平板内表面裂纹的应力强度因子进行了估算,并与已知的半椭圆形表面裂纹的应力强度因子解进行了比较。该文结果为估算表面裂纹应力强度因子提供了一种新的途径。     

压缩载荷下闭合裂纹的曲线分支裂纹模型研究

目前远场压应力作用下分支裂纹扩展过程中,其应力强度因子的计算模型中,经常将曲线分支裂纹简化为直线分支裂纹处理,忽略了分支裂纹扩展路径的曲线效应。基于这个考虑,在远场压应力作用下曲线分支裂纹扩展路径数学描述的基础上,建立了曲线分支裂纹模型,该模型可以考虑分支裂纹扩展过程中的曲线效应,进而计算出了曲线分支裂纹扩展过程中应力强度因子。基于ABQUS二次开发实现了对裂纹扩展过程的数值模拟,并将数值计算得出的应力强度因子与所建立的曲线分支裂纹模型解进行对比分析,验证了该模型的可行性,同时将曲线分支裂纹模型解与原有的直线分支裂纹模型解进行了对比,表明了建立曲线分支裂纹模型的必要性。     

超声载荷下TC4钛合金的疲劳寿命分析

通过计算裂纹尖端应力强度因子及疲劳裂纹扩展速率da/d N,由C.Paris模型推导出安全寿命Nf,由Bathias公式计算"哑铃"状钛合金试样的裂纹扩展寿命。通过理论计算和有限元分析超声疲劳"哑铃"状试样,得出应力最大位置。利用有限元仿真和实验数据分析TC4钛合金疲劳寿命。在20 k Hz的超声疲劳试验中,试样的断口位置表明:TC4钛合金材料内部缺陷是试样萌生裂纹使断裂位置偏离最大应力处的主要原因。并得出疲劳裂纹萌生阶段寿命决定"哑铃"状试样的疲劳寿命。     

梯度涂层材料中裂纹问题的非均匀元分析

本文采用非均匀等参有限元的方法研究了薄膜梯度涂层/均匀基材中的界面裂纹问题,并与双材料界面裂纹情况进行了对比计算。研究表明:在均匀基材上采用梯度涂层,与双材料相比可以有效地降低裂尖场应力强度因子;同时还分析了涂层厚度与梯度参数对界面应力强度因子的影响。结果表明:当薄膜厚度大于或等于裂纹长度时,应力强度因子(KI、KII)对其尺度的变化显得不敏感;对梯度参数的影响而言,当材料性能曲线的幂指数m大于1时,裂尖场的应力强度因子KII相对KI很小且基本不随m变化,因此裂尖场与均匀材料情况类似;当m小于1时,应力强度因子KII随m减小而急剧增大,裂尖场由KI及KII控制,断裂趋于混合型。     

无网格法模拟复合型疲劳裂纹的扩展

本文提出了用无网格Galerkin法模拟构件在复合变形作用下疲劳裂纹扩展路径并预估其疲劳寿命的方法。该法能够自然模拟疲劳裂纹的扩展,不需要网格重构,避免了裂纹扩展过程中的精度受损。应用无网格数值结果计算了J积分和应力强度因子IK和IIK;按照最大周向应力理论获得了裂纹扩展偏斜角。基于最小应变能密度因子理论,确定了裂纹扩展量aD,并能获得疲劳载荷的循环周数ND。文末对数值模拟结果和实验拟合结果进行了对照。     

金属腐蚀疲劳裂纹扩展速率的近似计算

根据腐蚀疲劳与纯疲劳间的关系 ,利用疲劳学科研究新结果 ,导出了腐蚀疲劳裂纹扩展速率的近似计算表达式 ,并给出了计算示例。结果表明 ,该近似表达式适用于A型腐蚀疲劳裂纹扩展速率的计算。关键词　腐蚀疲劳　裂纹扩展速率　应力腐蚀　有效强度因子     

裂纹止裂技术及裂纹动态扩展规律研究

为了对动态荷载作用下水泥粉煤灰砂浆的裂缝动态扩展行为进行研究,提出了一种大尺寸带V型底边的半圆边裂纹(SECVB)试件,其V形底部具有止裂功能。SECVB试件的V形底部设计为180°,150°和120°三个角度。采用落锤冲击装置进行了冲击试验,并使用裂纹扩展计(CPG)用于测量裂纹扩展的相关参数。利用有限差分程序AUTODYN对裂纹扩展行为进行了数值模拟,并用有限元程序ABAQUS计算了裂纹的动态应力强度因子(DSIF);根据CPG测量的裂纹萌生时间和扩展时间来确定临界应力强度因子。试验和数值模拟结果表明,SECVB试件适合于研究动态荷载作用下水泥粉煤灰砂浆的裂纹扩展行为和止裂行为。在裂纹扩展过程中,裂纹可能在一段时间内止裂,并且裂纹在起始时刻的断裂韧度高于裂纹扩展时的断裂韧度。     

双金属层合板垂直界面裂纹疲劳的扩展过程

采用四点弯曲加载方式进行奥氏体不锈钢／低碳锅炉钢双金属层合板垂直界面裂纹的疲劳扩展实验，研究了组元强度配合、爆炸焊接影响的区域性能（晶粒大小、形变强化、界面脱粘、独立塑性区等）对裂纹扩展行为的影响，以及垂直界面裂纹疲劳扩展的不同过程及其所对应的扩展机制．结果表明：由于强度错配，裂纹起始于高强度材料一倜时其疲劳扩展速率提高，而起始于低强度材料一倜时其疲劳扩展速率降低；当裂纹尖端接近界面时，界面区域的存在对上述两种情况下疲劳裂纹的扩展均起到了一定的屏蔽减速作用．