20CrMnTi齿轮钢疲劳裂纹扩展试验与数值模拟研究

为了研究20CrMnTi齿轮钢的疲劳裂纹扩展问题,首先,将材料20CrMnTi制成紧凑拉伸试样,在疲劳拉伸试验机上进行载荷比R=0.3的疲劳裂纹扩展试验;然后,应用数值模拟软件Abaqus对疲劳裂纹扩展过程进行数值模拟.结果表明,数值模拟结果和试验结果具有相同的变化趋势,二者的差别在误差允许范围内;数值模拟方法能够很好地描述紧凑拉伸试样疲劳裂纹扩展过程.为20CrMnTi齿轮钢疲劳裂纹扩展过程及疲劳寿命的研究提供了一种有效的试验和模拟分析方法.     

起重机主梁疲劳强度的探讨

基于有限元分析结果进行疲劳分析的基本理论、思路及方法,运用ANSYS程序对假定无缺陷和含横向裂纹起重机主梁进行有限元数值模拟,得到交变应力最大部位,预测了起重机主梁疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展阶段的疲劳寿命,以得到不同裂纹深度的主梁疲劳寿命。     

疲劳裂纹工程评定方法的新进展

本文首先简单回顾了一些评定疲劳裂纹的工程方法,随后主要介绍了一种新的应用三维有限元直接模拟疲劳裂纹扩展方法的研究进展;最后着重描述了本文作者最近发展的,能自动模拟面形疲劳裂纹形状扩展的计算软件DUCK的基本原理及一些技术细节,并给出了一些裂纹在疲劳载荷作用下形状扩展的数值模拟结果。     

提升机主轴疲劳仿真研究

介绍了基于有限元分析结果进行疲劳分析的基本理论，思路及方法，运用ANSYS程序对假定无缺陷和含横向裂纹KJ型双筒提升机主轴进行有限元数值模拟，得到交变应力最大部位，预测了提升机主轴疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展阶段的疲劳寿命。并得到不同裂纹深度的主轴疲劳寿命。     

随机超载下疲劳裂纹扩展的模拟计算

采用蒙特卡罗法对随机超载作用下的疲劳裂纹扩展进行模拟计算。载荷谱为在基本循环载荷基础上加入一以泊松流发生的随机超载序列．超载的大小为均匀分布。相邻两次超载发生的时间间隔通过一系列相互独立、服从指数分布的随机数进行模拟。采用Wheeler模型考虑超载的迟滞效应，计算出每一载荷循环的裂纹扩展量。由此模拟出裂纹从初始长度一直到疲劳破坏的扩展曲线。通过大量样本的模拟计算，获得随机超载作用下疲劳裂纹扩展寿命的平均值与标准差。最后研究超载发生强度和大小对疲劳裂纹扩展寿命的影响。     

弹塑性疲劳裂纹扩展行为的数值模拟

基于ABAQUS有限元软件建立内聚单元模型以研究I型弹塑性疲劳裂纹的扩展过程。利用UEL子程序定义内聚单元的疲劳损伤累积准则以识别疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的位置,并预测裂纹扩展速率da/d N。结果发现,预测的裂纹扩展速率与已有的试验结果吻合良好。通过ABAQUS软件中的温度-位移耦合分析方法同步获取裂纹扩展过程中因塑性变形能引起的裂纹尖端瞬态温度场的变化。结果显示,疲劳损伤累积准则所识别的裂纹尖端位置与裂纹扩展时最大温升点的位置具有一致性。这说明疲劳裂纹扩展过程中温度信号的变化也可以用于裂纹扩展规律的研究。基于数值模拟的方法验证了疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的温升信号ΔT与裂纹扩展速率da/d N、应力强度因子范围ΔK之间的幂函数关系。研究成果有望用于疲劳裂纹扩展寿命的快速预测。     

高压气瓶母材、焊缝和热影响区的疲劳裂纹扩展速率实验研究

通过高压气瓶母材、焊缝和热影响区的疲劳裂纹扩展实验 ,研究了高压气瓶的断裂薄弱环节以及薄弱环节的疲劳裂纹扩展速率 ,并用蒙特卡罗法模拟疲劳裂纹扩展速率的分散性 ,给出了疲劳裂纹扩展速率及其分布区间。     

考虑次裂纹时U71Mn钢的主裂纹扩展行为

采用ANSYS有限元软件,结合疲劳与磨损耦合模型,模拟计算了10t轮重的车轮以全滑动方式滚过初始长度100μm、扩展角度30°的钢轨表面裂纹时裂纹的等效应力强度因子Keff,研究了钢轨疲劳与磨损的关系并分析了主、次裂纹扩展方向及出现次裂纹时主裂纹的扩展行为。结果表明:钢轨的破坏形式以疲劳损伤为主;当裂纹出现分叉之后,主裂纹尖端的应力集中会得到比较大的缓解,其等效应力强度因子下降较快;当裂纹扩展到长度大于1mm之后,在主裂纹扩展过程中均伴随着次裂纹的出现,且主裂纹扩展方向基本不变,扩展速率逐渐加快,而次裂纹的扩展速率和扩展方向都基本不变。     

Ⅲ型加载对Ⅰ型疲劳裂纹扩展速率的影响

通过有限元数值模拟和疲劳裂纹扩展试验,研究了Ⅲ型加载对Ⅰ型加载的疲劳裂纹扩展速率的影响.计算结果表明,在Ⅰ型加载的基础上进行Ⅲ型加载,应力强度因子K1随着Ⅲ型加载的增大而减小;KⅢ随着Ⅲ型加载的增加而增大.在相同边界条件下,裂纹前缘所在直线上,越接近中性面,K1的值越小.为了验证有限元数值分析结果,对铝合金材料进行了疲劳裂纹扩展速率试验.试验结果表明,在Ⅰ型加载的基础上进行Ⅲ型加载会使疲劳裂纹扩展速率减小;在一定范围内,疲劳裂纹扩展速率随着Ⅲ型加载的增加而减小.     

断裂力学和有限元法在疲劳磨损研究中的应用

综述了近年来国外应用断裂力学和有限元法研究疲劳磨损的进展和现状。主要评述了以线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学理论为基础,借助于有限元法分析疲劳裂纹的萌生、裂纹的扩展方向和扩展速率,以及疲劳磨损机理的热一机械耦合应力分析方法,目前疲劳磨损的研究主要集中于应用断裂力学建立恰当的磨损模型,用有限元法进行参数定量计算和疲劳裂纹行为的数值模拟,但关键问题在于确定合理的有限元分析模型,最后探讨了今后研究的方向。     

超声疲劳裂纹扩展与摩擦生热研究

在高频循环载荷作用下,材料疲劳裂纹的萌生与扩展过程伴随着明显的温度变化,该温度变化反映材料内部结构的损伤特征。通过20 kHz的超声疲劳试验,研究一种碳锰钢在超高周疲劳加载条件下的内部疲劳裂纹萌生与扩展过程中温度的演化过程。通过对该材料在疲劳损伤过程中,内部裂纹间的摩擦生热机理分析,从微观角度出发,结合分形理论,建立内部裂纹微观结构的摩擦模型,数值模拟超声疲劳过程中材料内部疲劳裂纹面间的摩擦生热情况,并定量地计算该过程中由裂纹间摩擦所导致的温度上升,将模拟结果与试验结果进行比较。探究高频疲劳载荷下微裂纹扩展与摩擦生热的关系,并结合超高周疲劳裂纹扩展公式,建立超声疲劳过程中的裂纹扩展与裂纹面温度演化关系的模型。     

基于FRANC2D的疲劳裂纹扩展数值模拟

介绍了二维断裂分析有限元软件FRANC2D(Fracture Analysis Code in 2 Dimensions)疲劳裂纹扩展的基本原理以及一般计算过程,为了验证FRANC2D在疲劳裂纹扩展数值模拟方面的准确性,对含中心裂纹试样平板进行疲劳试验,并将试验结果和软件中模拟的结果进行对比,同时进一步说明其方法.     

基于循环J积分的压力容器疲劳寿命预测的数值模拟

开发出一种基于三维弹塑性循环J积分( J)的压力容器疲劳寿命预测的数值模拟技术。对1台含内壁纵向表面裂纹的实物压力容器进行有限元数值模拟计算和试验测试,结果显示：初始椭圆形表面裂纹在疲劳扩展过程中形状逐渐趋圆并保持圆形继续扩展。裂纹疲劳扩展过程是一个非等速的扩展过程,扩展速度呈现越来越快的趋势。基于J的疲劳寿命预测的数值模拟结果较之基于应力强度因子幅K的结果具有更高的精度,满足工程要求。该技术对于在役含缺陷压力容器的疲劳寿命预测具有重要的应用价值。     

基于FRANC2D的疲劳裂纹扩展数值模拟

介绍了二维断裂分析有限元软件FRANC2D（Fracture Analysis Codein 2 Dimensions）疲劳裂纹扩展的基本原理以及一般计算过程，为了验证FRANC2D在疲劳裂纹扩展数值模拟方面的准确性，对含中心裂纹试样平板进行疲劳试验，并将试验结果和软件中模拟的结果进行对比，同时进一步说明其方法。     

疲劳载荷下复合材料分层损伤扩展的数值模拟方法

为了研究复合材料层合结构在疲劳载荷下的分层扩展行为,开发了复合材料层间疲劳损伤数值计算模型。定义层间材料模型包括层间材料本构关系、损伤判据以及疲劳损伤演化法则。疲劳损伤通过定义内聚力单元损伤变量的演化规律来表示。通过有限元商用软件,考虑到疲劳问题的特点,运用加速算法和疲劳载荷等效原理,并结合自定义材料子程序实现了疲劳损伤的模拟。最后,运用该模型模拟了层状复合材料双悬臂梁的疲劳分层扩展,并将数值模拟结果与实验数据对比,表明该模型在模拟层间裂纹的形成和扩展的有效性。     

F690超高强钢的腐蚀疲劳裂纹扩展行为及其有限元模拟

采用直流电压降法测试了F690超高强钢在模拟海水中的疲劳裂纹扩展速率,研究了应力比(0.1,0.2,0.3)和加载频率(0.15,0.30,0.60 Hz)对疲劳裂纹扩展行为的影响;采用基于能量释放率Paris法则的扩展有限元方法对腐蚀疲劳过程进行了模拟,并与试验结果进行对比.结果表明:F690钢在模拟海水中的腐蚀疲劳裂纹扩展速率随着应力比或频率的增大而减小;腐蚀疲劳断裂形式为穿晶断裂,且随着频率增加,二次裂纹的宽度变小;模拟得到F690钢的腐蚀疲劳裂纹扩展长度与试验结果相吻合,相对误差小于0.6％,说明采用该扩展有限元方法可有效模拟和预测F690钢的腐蚀疲劳裂纹扩展行为.     

压力容器非正交接管区表面裂纹疲劳扩展特性研究

对一台压力容器非正交接管区表面裂纹的疲劳扩展进行了试验研究和计算机模拟跟踪，获得了非正交接管区表面裂纹疲劳扩展的特性、形貌、速率及寿命。试验与计算机跟踪结果比较表明：在相同循环次数下，有限元的扩展深度大于实测值，但二者基本吻合，误差为10％左右；二者的裂纹扩展方向是不一致的。     

镍基双晶晶界疲劳屏蔽效应

对晶界平行裂纹和晶界垂直裂纹的双晶体进行三点弯曲疲劳实验,研究了双晶晶界的疲劳裂纹扩展规律,测定了双晶的疲劳扩展速率,揭示了晶界对晶粒疲劳裂纹扩展的屏蔽效应当裂纹距晶界某一特定长度时,裂纹扩展速度最快;而裂纹顶端交于晶界时,裂纹扩展速度最慢.进一步的晶体滑移有限元数值分析揭示了这种屏蔽效应的机理裂纹的扩展速度与裂纹顶端的应力场,而裂纹顶端的应力场又与晶粒和晶界的相对位置有关.     

压力容器用钢的疲劳裂纹扩展速率

疲劳破坏是压力容器破坏的基本形式之一,受到了国内外的广泛重视。通常认为,裂纹的应力疲劳扩展速率da/dN主要受裂纹尖端的应力强度因子幅度△K控制,其扩展规律通常分为三个阶段,可用图1表示。第一、三阶段的范围很窄,第二阶段范围较宽且遵循:     

耦合宏微观效应的约束应力区疲劳裂纹模型的求解与应用

用约束应力区描述材料损伤状态,建立耦合宏微观效应的跨尺度疲劳裂纹模型,可描述材料疲劳破坏从微观缺陷到宏观断裂的整个过程。约束应力的分布取决于材料的损伤状态。假定约束应力为线性分布,在远场均匀拉应力作用下,应用Muskhelishivili方法,对跨尺度裂纹模型进行了解析求解,得到了裂纹张开位移与跨尺度应变能密度因子的解析解。以跨尺度应变能密度因子作为疲劳裂纹从微观到宏观扩展的控制参量,对疲劳破坏全过程进行了数值模拟计算。以LC4铝合金板为例,利用模型精确再现出不同疲劳荷载作用下的实验S-N曲线。由于模型考虑了微观因素的影响,疲劳实验数据的发散特性也精确再现出来。另外,通过数值计算,分析了微观效应对疲劳裂纹扩展行为的影响。