Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的应力强度因子有限元计算分析

ABAQUS软件对中心穿透斜裂纹板及边斜裂纹板进行了有限元模拟.计算复合型裂纹的应力强度因子KⅠ和KⅡ,并将计算结果与现有理论结果进行了比较;分析了裂纹尺寸和裂纹角对应力强度因子的影响.结果表明:裂纹角从0°增大到90°,裂纹类型由复合型向纯Ⅰ型转变;用ABAQUS软件计算复合型裂纹的应力强度因子相对误差保持在5%之内,计算精度完全满足工程要求.     

三维斜置表面裂纹应力强度因子边界元计算及分析

建立半椭圆表面裂纹模型,并借助边界元分析软件FRANC3D计算不同裂纹面网格划分下裂纹前沿不同位置处的应力强度因子,将计算结果与理论解进行比较,分析裂纹面网格划分对计算结果精度的影响,得出最优网格划分;在此基础上计算两种斜置半椭圆表面裂纹前沿不同位置处的应力强度因子,分析斜置角度和椭圆角对裂纹前沿应力强度因子的影响,对工程实际具有参考意义。     

含多个穿透裂纹的多孔紧固件传载结构裂尖应力强度因子研究

多孔多裂纹紧固件传载结构的安全问题是当今航空界中广泛关注的问题之一.文中通过采用销钉和平板间接触的有限元方法,建立含单裂纹单孔、含单裂纹的串联双孔、含双裂纹的串联双孔、含四裂纹的串联双孔、含双裂纹的并联双孔和含四裂纹的并联双孔紧固件传载结构等六种计算模型,对计算模型的裂纹尖端应力强度因子进行计算.通过大量计算,给出典型的串联多孔多裂纹连接结构和并联多孔多裂纹连接结构应力强度因子计算结果曲线,分析其相互影响规律和原因,计算结果和结论可以作为该类结构损伤容限设计的参考依据.     

基于Schwartz-Neuman交替法的压力容器内接管表面裂纹的断裂力学分析

采用Schwartz-Neuman交替法计算了一个典型反应堆压力容器内接管应力集中处1/4椭圆形表面角裂纹的应力强度因子,并分析了角裂纹的应力强度因子随裂纹几何参数变化的规律。为了评估Schwartz-Neuman交替法的精度,首先计算了常规圆管上两种不同形式表面裂纹的应力强度因子,并通过与解析解的比对验证了Schwartz-Neuman交替法的良好计算精度。所得反应堆压力容器内接管应力集中处1/4椭圆形表面角裂纹的应力强度因子与文献[4]中有限元解吻合良好;但与常规有限元分析的计算模型相比,Schwartz-Neuman交替法所使用的单元数仅为前者的1%。算例表明,Schwartz-Neuman交替法不仅计算模型简单,并且可以准确地分析复杂结构中任意形状和深度的表面裂纹,因而它在三维复杂结构中裂纹的应力强度因子计算上具有明显的高效性。     

高压输气管道内裂纹相互作用的有限元数值分析

基于三维虚拟裂纹闭合技术（3D-VCCT）,利用大型有限元分析软件ANSYS对内表面含单条半椭圆裂纹的高压输气管道的应力强度因子进行计算,计算结果与已有结果具有相当好的一致性,并验证了该方法应用于薄壁管道计算的有效性。然后考虑了2条对称副裂纹的短半轴与长半轴的比值,主副裂纹的距离以及主副裂纹环向角度对主裂纹应力强度因子的影响,得到主裂纹应力强度因子的变化规律,并给出了主裂纹最深点和表面点应力强度因子的计算公式。提出的计算方法和结果对高压埋地输气管道的风险评估、设计和施工具有一定的参考价值。     

厚壁筒双轴向表面裂纹尖端应力强度因子影响因素的研究

在现有文献对平面结构任意分布多裂纹间相互作用影响因素及厚壁筒轴向表面单裂纹尖端应力强度因子分析的基础上,提出了包含裂纹尖端应力强度因子影响因素的厚壁筒双轴向表面裂纹尖端应力强度因子公式.根据有限元方法,利用ANSYS软件对不同厚壁筒壁厚比、不同裂纹深度比及不同裂纹夹角情况下双轴向表面裂纹尖端应力强度因子进行了计算,分析...     

螺纹联接外螺纹牙底表面裂纹应力强度因子的实验研究

用Ｊａｍｅｓ－Ａｎｄｅｒｓｏｎ方法［１］，对螺纹联接外螺纹牙底表面裂纹在拉伸作用下的应力强度因子进行了实验研究。在大量疲劳裂纹扩展实验取得的ＳＩＦ正则系数值的基础上，用逐步回归分析得到了这种情况下表面裂纹最深点和表面点的应力强度因子近似式。并将所得结果与拉伸圆杆［２，３，４］和带螺纹拉伸圆杆表面裂纹应力强度因于进行了比较分析，结果表明，三者之间的规律性很好     

应用改进的虚拟裂纹闭合方法求解三维裂纹应力强度因子

基于有限元计算结果计算结构的能量释放率,利用能量释放率来计算结构的应力强度因子。本文对现有的虚拟裂纹闭合方法作了改进,即应用本文改进的虚拟裂纹闭合方法求解三维裂纹体应力强度因子时,裂纹前缘的裂纹面可以是任意形状,且裂纹前缘的有限元单元宽度可以不等。文中以三维表面裂纹为例,应用改进的虚拟裂纹闭合方法计算了该结构的应力强度因子,同时讨论了裂纹前缘有限单元宽度对应力强度因子的影响。     

基于FRANC3D计算三维疲劳裂纹最大应力强度因子

文中建立了三维模型并借助边界元分析软件FRANC3D采用边界元法计算了三维表面裂纹前沿不同位置处的应力强度因子,说明了FRANC3D基于的边界元理论计算半椭圆型表面裂纹应力强度因子的过程,并与理论公式计算结果相比较.结果表明,软件计算结果与理论解误差较小,裂纹最深处应力强度因子最大.     

运用子模型方法分析U型管表面椭圆裂纹应力强度因子

针对在裂纹前沿设置奇异单元的断裂力学有限元分析模型,运用子模型方法计算了U型管弯管部分表面纵向裂纹前沿各点的应力强度因子,得到了裂纹前沿最深点应力强度因子修正系数F1随弯管和裂纹参数的改变而变化的曲线图谱.     

Ⅰ、Ⅱ型及复合型裂纹动态应力强度因子的有限元分析

对含有预制裂纹的中心穿透裂纹板和三点弯曲试样在动态载荷作用下进行了有限元模拟。前者裂纹面与载荷作用方向的夹角取15°~90°之间的6种情况,后者按纯Ⅰ型和纯Ⅱ型两种方式进行加载。得到了Ⅰ型和Ⅱ型动态应力强度因子的时间历程,并研究不同裂纹角对动态复合比的影响。结果表明:中心穿透裂纹板试样在15°和90°两种情况下KⅡ(t)和KⅠ(t)分别占主导成分;45°时KⅠ(t)和KⅡ(t)基本相同;随着裂纹面与载荷夹角的增加KⅠ(t)呈增加趋势而KⅡ(t)呈先增加后减小趋势。三点弯曲试样按纯Ⅰ型加载时KⅡ(t)基本为零,按纯Ⅱ型加载时KⅠ(t)幅值随时间而增加。     

用于视角偏转的光学膜表面微结构设计

针对传统的液晶显示器应用于一些驾驶舱时存在的特殊观看视角问题,设计了一种新型的光学膜,以使液晶显示器的最大亮度可根据观看者的位置实现特定角度的偏转。首先,基于现有背光的配光曲线,提出光学膜表面微结构为直角三角形;考虑由于直角边的全反射,半光强视角范围较窄且存在截止角,对微结构进行了棱高和角度的优化设计,使半光强处视角范围得到提高。为消除截止角并进一步增大半亮度视角范围,对微结构再次进行优化设计,提出了双峰折线形非对称的光学膜表面微结构。仿真结果表明:水平视角不变时,偏转膜垂直方向最大亮度在20°处,透过率为87.3%,半亮度视角为(-12.5°,45°)。根据设计结果加工了实际样品并进行了实验测试,测试结果表明:与传统的背光视角相比,偏转膜垂直方向最大亮度由原来的0°偏转到18.9°,半亮度视角由(-24.1°,23.5°)变为(-9.2°,45.3°),透过率为82.0%,满足了特定视角的观看要求。     

基于平衡电磁技术的管道裂纹全角度检测方法

针对管道表面裂纹缺陷方向各异的问题,提出一种基于平衡电磁技术的裂纹全角度检测方法。通过麦克斯韦方程分析了时谐电磁场下管道内表面的电磁分布,根据磁通与感应电流的畸变分析了管道表面各方向裂纹的检测机理与检测信号规律,并证明了平衡电磁技术对管道裂纹全角度检测的有效性。利用有限元方法计算分析了裂纹与检测方向成七种不同角度时管道内表面的电磁畸变程度,并通过仿真得到相应的感应电压信号,根据仿真结果进行有效性试验,结果表明,平衡电磁检测技术能够对管道表面裂纹实现全角度检测,检测信号特征以检测方向与裂纹成30°夹角为分界,0°～30°信号特征为先波谷后波峰,检测信号幅度随着角度增加逐渐减小,峰谷间距快速变小;30°～90°信号特征为先波峰后波谷,检测信号幅度随着角度增加逐渐增大,峰谷间距缓慢变小;当检测方向与裂纹成30°时,感应电压信号为双峰谷特征,且峰峰值最小。该方法为管道表面裂纹角度的量化研究提供了理论依据和实验基础。     

星载太阳辐射监测仪的太阳程控跟踪精度

为了避免太阳敏感器(DSS)指向故障导致星载太阳辐射监测仪(SIM)功能失效,为风云三号(FY-3(03))卫星的太阳辐射监测仪(SIM)设计了备份跟踪方式程控太阳跟踪并分析了其跟踪精度。利用星上儒略日时间和卫星轨道瞬根,基于类基准地表辐射网(BSRN)算法推导了轨道坐标系太阳矢量、俯仰角和偏航角。将计算结果与卫星给定指向数据进行了比较。结果表明:太阳矢量三轴偏差均小于0.1°,俯仰角平均偏差为0.024 6°,偏航角平均偏差为-0.080 4°。对利用程序计算的多轨道指向数据进行了太阳模拟跟踪控制实验,结果表明:SIM俯仰跟踪控制精度优于0.1°,偏航跟踪控制精度优于0.05°。为保证在轨跟踪精度,试验了俯仰零点角和偏航零点角,其分别为80.46°和-36.96°。最终分析结果表明,俯仰程控跟踪不确定度为±0.318°,偏航程控跟踪不确定度为±0.316°,满足SIM太阳跟踪精度±0.5°的要求。设计的太阳程控跟踪降低了SIM对光学指向器件的依赖,提高了在轨太阳跟踪的可靠性。     

喷丸强化因素对钛合金固体粒子冲蚀抗力的影响

探讨了喷丸强化(SP)因素(残余压应力引入、表面粗糙度增大和表面加工硬化等)对Ti6Al4V钛合金固体粒子冲蚀(SPE)行为的影响和作用机制,为充分发挥SP改进航空发动机零部件服役性能的潜力提供依据。结果表明:Ti6Al4V合金表面直接喷丸处理,其SPE抗力无明显改变;SP处理后进行表面抛光,Ti6Al4V合金SPE抗力明显增加。SP造成的表面粗糙度增大导致了钛合金在大小冲击攻角下的SPE抗力的下降;SP引入的表面残余压应力对提高钛合金在90°大攻角下的SPE抗力起了重要作用,原因是SP残余压应力增加了裂纹闭合力和抑制了疲劳裂纹早期扩展;SP引起的表面加工硬化作用对提高钛合金在30°小攻角下的SPE抗力有重要贡献,这归于加工硬化提高了材料表面在小攻角下的微犁削抗力。     

干涉预应力释放对三维裂纹尖端应力强度因子的影响研究

以冷挤压孔三维裂纹为讨论对象,应用ANSYS大型工程有限元计算软件,在线弹性条件下,模拟由于干涉产生的预应力释放的真实过程,研究预应力释放对裂纹尖端应力强度因子的影响规律。文中将干涉预应力考虑为内部载荷,分别对不同裂纹长度下的含裂纹体进行挤压,在不同的挤压状态下直接求解应力强度因子,以此等效地模拟裂纹扩展过程中干涉预应力释放的应力强度因子求解。文中通过计算分析,给出了考虑干涉预应力释放的真实情况下裂纹尖端的应力强度因子随裂纹长度及模型厚度的改变趋势和规律,并与不考虑干涉预应力释放的情况下裂纹尖端的应力强度因子进行对比分析。     

Stress intensity factors and kink angle of a crack interacting with a circular inclusion under remote mechanical and thermal loadings

A problem of a circular elastic inhomogeneity interacting with a crack under uniform loadings (mechanical tension and heat flux at infinity) is solved. The singular integral equations for edge and temperature dislocation distribution functions are constructed and solved numerically, to obtain the stress intensity factors. The effects of the material property ratio on the stress intensity factor (SIF) are investigated. The computed SIFs are used to predict the kink angle of the crack when the crack grows.     

Local flexibility of an elliptical cracked shaft under bending and tension

Compared with the widely used straight front crack model, an elliptical front crack has been found to be more accurate and realistic for modeling the transverse surface crack in rotating machinery. Therefore, based on the strain energy release rate (SERR) approach and the closed-form results of SIFs, the local flexibilities of an elliptical cracked shaft submitted to bending, axial tension and combination of both are derived and solved by means of numerical integration technique. Once the elliptical front and shape variation are considered, the obtained flexibility values are reduced obviously in contrast with the current results, especially for the deeper surface cracks.     

Two-dimensional contour cutting of polycrystalline cubic boron nitride using a novel laser/water jet hybrid process

In the laser/water jet hybrid machining (LWJ), a novel process applicable to brittle materials, the laser beam creates a groove through evaporation and causes solid-state phase transition through heating and shock waves while the water jet performs quenching. Both laser and water jet induce stresses and phase changes that lead to cutting via crack formation and controlled fracture mechanism through the rest of the thickness. While LWJ is very well documented by our group for one-dimensional cutting, it remains as a challenge for two-dimensional cutting because of the changing direction of the crack in relation to the laser beam path. In this paper, a focused continuous wave CO₂ laser (400?W) was combined with abrasive-free water jet at 0.4–1.4?MPa (60–200?psi) to generate and steer the controlled crack in two directions in polycrystalline cubic boron nitride tool blanks. A 42.33-mm/s (100?in./min) cutting speed was used in all the tests. The direction of the cracks generated by LWJ was changed to 60°, 108°, 120°, 135° and made to follow a curve with 1?mm radius in accordance with the standard tool shapes. The cut quality was investigated at the point of change in the crack direction using optical profilometer, Raman spectroscopy, and scanning electron microscopy. Results indicated that successful cuts were made with obtuse angles (120° and 135°) in contrast to acute angles (60°). The crack propagation in the heat affected zone, where the phase transition from c-BN to a new phase has occurred, is responsible for the inability to obtain good quality cuts in the acute angle cases. A preliminary graphical representation that explains the observed experimental results is formulated.