复合型加载条件下PMMA断裂行为的实验研究

给出一个中心裂纹圆盘断裂试验的较完整的试验技术,并用此试验技术在岛津材料试验机上对有机玻璃(polymethyl methacrylate,PMMA)这种典型的脆性材料成功地进行纯Ⅰ型、纯Ⅱ型和复合型加载条件下的断裂试验。试验结果表明,纯Ⅰ型、纯Ⅱ型及复合型加载条件下,载荷分布角γ大于8°,对KⅠ和KⅡ的试验结果有较大影响;纯Ⅰ型加载条件下裂纹是自相似扩展的,纯Ⅱ型和复合型加载条件下裂纹是非自相似扩展,且起裂始于切口端部的角点处。试验结果和有限元分析结果表明,最大周向拉应力准则对于预测非理想裂纹切口试件的开裂角仍然是有效的,但必须以实际试件切口端部角点处的应力场为依据。     

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.     

LC4CS铝合金三维复合型断裂的试验研究

设计并完成了LC4CS铝合金2mm,4mm,8mm,14mm等四种不同厚度紧凑拉伸试样的Ⅰ＋Ⅱ复合型断裂试验，得到各个厚度下不同加载条件时不同加载条件的载荷位移曲线和裂纹起角。结果表明试样厚度和载荷复合比对试样的承载能力，裂纹起裂角均有明显影响，纯I型载荷下载薄试样的承载能力好于厚试样；Ⅰ＋Ⅱ复合载荷条件下4mm的承载能力最大，2mm和8mm接近，14mm最小，纯Ⅱ型载荷条件下各厚度的承载能力基本一致。2mm试样的起裂角值与14mm试样的值很接近，4mm试样的值略高，8mm试样的值低得多，基于平面假设基础上的最大周向应力准则能够很好地预测2mm薄试样和14mm厚试样的裂纹起裂角，但预测8mm中间厚度时误差很大，此结果为建立三维复合型断裂准则提供必要的试验基础。     

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.     

不同加载条件压载荷对疲劳裂纹尖端塑性区的影响

应用弹塑性有限元方法,研究不同加载条件下压载荷对疲劳裂纹尖端塑性区的影响.建立两个具有中心穿透裂纹的高强铝合金板的有限元模型,分别进行不同载荷的拉压加载模拟分析.结果表明,压载荷对疲劳裂纹尖端塑性区有显著影响,在一拉一压加载周期,当拉载荷减小到零时裂纹尖端应力不为零,裂纹尖端应力对裂尖的挤压作用产生反向塑性区,裂尖反向塑性区随压载荷的增加而增加,压载荷的大小是决定裂纹尖端塑性区大小的主要因素,压载荷越大塑性区越大.     

Ⅰ、Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展的探讨

本文提出了一个Ⅰ、Ⅱ复合型裂纹疲劳扩展的模型,分析得到疲劳裂纹扩展速率其中Δk_σ为拉应力强度因子,F为与应力状态有关的参数。ΔK_σ=cos~2θ/2(ΔK_Ⅰcos θ/2-3ΔK_Ⅱ sinθ/2) 分析表明拉应力强度因子幅度ΔK_σ是支配Ⅰ、Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展的力学参量。作者用18CrNiWA钢进行了纯Ⅰ型和Ⅰ、Ⅱ复合型的三点弯曲和偏裂纹三点弯曲的疲劳试验。试验结果与上述半经验公式符合良好,并且表明,(1)Ⅰ、Ⅱ复合型和Ⅰ型裂纹扩展遵循同一规律,只要在Ⅰ、Ⅱ复合型状态下用拉应力强度因子幅度ΔK_σ代替Ⅰ型时的AK_1即可;(2)Ⅰ、Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展的拉应力强度因子的门坎幅度值ΔK_(σth)等于Ⅰ型裂纹的门坎值ΔK_(Ⅰth)。     

平纹编织C/SiC复合材料层间断裂行为试验研究

通过双悬臂梁和端部切口弯曲试验分别对平纹编织C/SiC复合材料的Ⅰ型(张开型)和Ⅱ型(滑开型)层间断裂行为进行试验研究,得到该材料以临界能量释放率GⅠC和GⅡC表征的层间断裂韧度值.试验后利用光学显微镜对两组试验的试样断口进行显微观察,以分析其破坏机理.结果表明:Ⅰ型层间断裂韧度值GⅠC和Ⅱ型层间断裂韧度值GⅡC分别为(737.2±57) J/m2和(1082.7±90) J/m2;Ⅰ型开裂为层间SiC基体沿初始裂纹方向的断裂破坏;Ⅱ型开裂与Ⅰ型开裂相似,但裂纹上下表面包裹碳纤维束的SiC基体发生脱落,并且出现碳纤维束中部分碳纤维剪切破坏.     

动态弹塑性断裂韧度J_(Ⅰd)测试方法研究

借助于示波冲击实验 ,建立加载速率 KⅠ ≈ 10 5MPa·m/s条件下 ,测定材料动态弹塑性断裂韧度JⅠd的方法。通过计算得到三点弯曲试样的动态裂纹尖端张开位移COD以及动态裂纹扩展量Δa ,在此基础上得到裂纹动态起裂点。在动态弹塑性断裂韧度JⅠd的计算中 ,考虑了材料动态应力—应变行为的影响。船用 945钢的测试结果表明 ,文中建立的方法简单、方便 ,适合于工程应用     

螺母丝锥切削角的选定

螺母絲錐(如图所示)鉴于加工通孔零件的有利条件,其切削角k_r(旧标准符号为φ)值取得較小。根据标准所規定的切削部分长度l、外径d及小头直径d_x計算,k_r≈3°。GB标准及据其編制的螺紋工具生产图册則分成Ⅰ型、Ⅱ型两种,Ⅰ型k_r≈1°30′、Ⅱ型(k_r≈3°(其中Ⅰ型仅用于短柄螺母絲錐;长柄及弯柄螺母絲錐則兼有Ⅰ、Ⅱ两型)。这些标准的k_r值看来較小,加之絲錐的1又是根据螺距t而定:k_r≈1°30′     

基于改进SHPB平台的20CrMnTi平面应变动态起裂韧度实验研究

为获得20Cr Mn Ti动态起裂韧度,利用改进式霍普金森压杆对三点弯曲试样施加冲击载荷,通过弹簧质量模型确定动态应力强度因子随时间的变化规律,采用应变片监测裂纹起裂时刻。通过上述实验过程得到20Cr Mn Ti在平面应变条件下I型裂纹扩展动态起裂韧度。实验过程中,利用波形整形技术有效抑制了应力波传播过程中由横向惯性效应引发的几何弥散畸变,保证了测点处应力波信号与加载点应力波的一致性;利用高速摄像系统跟踪动态断裂过程,并结合GOM Correlate软件对加载过程中试样表面应变场的变化进行分析,观察到裂纹起裂前试样已达到动态应力平衡状态,验证了实验方案和测试结果的有效性。实验结果表明,20Cr Mn Ti动态起裂韧度随着加载率的增加而增大,呈现出明显的加载率敏感性。     

FDM 3D打印聚醚醚酮零件摩擦磨损特性研究

为研究3D打印各向异性对摩擦性能的影响,通过熔融沉积成型(FDM)制备了0°、45°、90°3种打印角度的聚醚醚酮(PEEK)试样,研究3种不同打印角度及载荷变化对PEEK试样摩擦学性能及磨损机制的影响。利用MFT-5000摩擦磨损试验机对PEEK材料进行室温水润滑下的往复滑动摩擦试验,用超景深显微镜观察磨损后表面形貌。试验结果表明：不同载荷下3种打印角度试样的摩擦因数由大到小依次为0°试样、90°试样、45°试样,磨损率由大到小依次为90°试样、45°试样、0°试样;随着载荷的增大,3种不同打印角度试样的摩擦因数均呈现下降趋势,磨损率则呈现上升趋势;PEEK磨损机制是黏着磨损以及疲劳磨损引起的表层脱落。     

应力复合型裂纹焊接接头裂端场及其断裂参量分析

针对含Ⅰ+Ⅱ应力复合型裂纹的焊接接头,应用弹塑性有限元方法分析了其裂端应力场的分布规律。并对不同组配焊接接头的裂纹张开位移(COD)断裂参量及其复合角进行了数值计算,讨论了加载角度和接头强度组配对焊接接头中应力复合型裂纹的断裂行为及其断裂参量的影响机制。研究结果表明,无论何种强度组配,焊接接头裂纹尖端应力场的分布是不对称的。裂端上部发生锐化现象,而裂端下部发生钝化现象。断裂参量COD值的大小受接头组配的影响,因此,不能简单地采用全母材的性能代替接头进行焊接接头的断裂分析。加载角度对焊接接头中复合型裂纹Ⅰ、Ⅱ型主导性存在很大的影响,而接头强度组配对其影响不明显;而裂纹复合角则会受到加载角度及材料组配因素的影响。因此,在进行含应力复合型裂纹的焊接接头的COD断裂参量的计算时,必须考虑这些因素的综合影响作用。     

Influence of tilt angle of plate on friction and transfer layer—A study of aluminium pin sliding against steel plate

In the present investigation, unidirectional grinding marks were attained on the steel plates. Then aluminium (Al) pins were slid at 0.2°, 0.6°, 1.0°, 1.4°, 1.8°, 2.2° and 2.6° tilt angles of the plate with the grinding marks perpendicular and parallel to the sliding direction under both dry and lubricated conditions using a pin-on-plate inclined sliding tester to understand the influence of tilt angle and grinding marks direction of the plate on coefficient of friction and transfer layer formation. It was observed that the transfer layer formation and the coefficient of friction depend primarily on the grinding marks direction of the harder mating surface. Stick-slip phenomenon was observed only under lubricated conditions. For the case of pins slid perpendicular to the unidirectional grinding marks stick-slip phenomenon was observed for tilt angles exceeding 0.6°, the amplitude of which increases with increasing tilt angles. However, for the case of the pins slid parallel to the unidirectional grinding marks the stick-slip phenomena was observed for angles exceeding 2.2°, the amplitude of which also increases with increasing tilt angle. The presence of stick-slip phenomena under lubricated conditions could be attributed to the molecular deformation of the lubricant component confined between asperities.     

Slip-line field solutions of three-point bend specimens with deep notches

Slip-line field solutions of three-point bend specimens with different notch depths, notch angles and notch root radii are presented. For notch angles less than the critical value the plastic region is localized at the ligament but for larger notch angles the plastic region spreads to the flanks of the notch. It is shown that the critical angle decreases with increasing notch depth and decreasing root radius. Solutions for the constraint factor and maximum hydrostatic stress beneath the notch tip are also obtained as a function of both notch depth and root radius for notch angles above and below the critical value.     

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。     

基于扩展有限元模型的动态应力强度因子计算

为准确计算基于扩展有限元法（XFEM）的裂纹扩展模型中的应力强度因子,在ABAQUS软件中建立中心裂纹平板和三点弯曲的XFEM模型,采用相互作用积分法,通过用户子程序接口分别实现了Ⅰ型、Ⅱ型断裂模式下裂纹扩展过程中应力强度因子的计算;研究了网格密度与积分半径对XFEM模型应力强度因子计算精度的影响规律,研究结果表明：当网格密度因子为0.012~0.016、相对积分半径为3时,应力强度因子收敛至稳定值,计算误差不超过3%。利用所提方法与程序计算了单边带孔疲劳裂纹扩展试样的动态应力强度因子,试验结果表明：基于Paris理论预测的剩余寿命与疲劳试验结果误差为5.3%,进一步验证了所提方法与程序的正确性。     

激光测量大型转轴动载波动系数原理

为能够对大型复杂旋转机械转轴动态载荷特性进行在线监测,给出一个表征转轴动载特性的参量——动载波动系数KID。应用动力学理论推导出动载波动系数KID测量模型的数学表达式,该式表明测得转轴转速波动值即可求得KID值。基于激光多普勒技术,提出一种直接提取动载波动系数KID的激光测量方法。通过构造光学测试系统测量相邻时刻转轴轴段两端面的瞬态转速,得到轴段转速波动值及两端面相对转速波动值,代入KID测量模型,能够直接得到动载波动系数KID值,从而实现对转轴扭振强度的实时监测。通过试验验证了该方法的可行性,结果表明,动载波动系数KID较好地反映了转轴的动态载荷波动特性,能为工程中大型复杂旋转机械转轴动态扭振监测提供新方法。     

腹板-翼缘搭接连接结构钉载分配特性研究

以腹板-翼缘搭接连接结构为研究对象,分析了四点弯曲、三点弯曲两种简支形式的钉载分配特性以及不同简支形式对钉传载荷的影响。利用应变电测法测量了平板及上翼缘螺栓连接区的应力分布;采用ABAQUS软件建立了三维有限元实体模型,对螺栓群的钉载分配行为进行了仿真分析。结果表明,四点弯曲试件的钉载分配特性与三点弯曲的钉载分配特性相比存在明显差异:对于四点弯曲试件,平板以及上翼缘处螺栓群的钉载几乎是对称分布的;而对于三点弯曲试件,结构的不对称造成了钉载分布的不对称。此外,无论四点弯曲试件还是三点弯曲试件,对于平板上单侧的螺栓群,钉载分配均呈两边高、中间低的“浴盆状”分布;对于上翼缘连接区的螺栓群,越靠近两工字梁对接面,钉传载荷越小,反之亦然。     

小范围屈服条件下复合材料裂纹尖端塑性区分析

基于复合材料力学,推导Tsai-Hill强度准则在平面应力和平面应变条件下的一般表达式,得到了小范围屈服条件下,含中心裂纹无限大板Ⅰ型裂纹、Ⅱ型裂纹和Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹尖端塑性区的解析解。针对不同裂纹倾角及泊松比 和,对裂尖塑性区进行了计算和分析。结果表明平面应变条件下塑性区范围小于平面应力条件下塑性区范围,参数、和 对复合材料裂尖塑性区范围和形状有明显的影响,不同的参数值得到的塑性区结果差别很大。另外,该解既适用于各向异性复合材料,也适用于各向同性材料。     

两种加载方式下疲劳裂纹的扩展

本文测量了在旋转弯曲加载和三点弯曲加载下,45Cr钢试样经淬火后,在200℃、400℃、500℃、600℃回火条件下的疲劳裂纹扩展速率,并用不着定量金相法,电镜观察法研究了上述两种加载方式下,疲劳裂纹扩展的微观机制。试验结果表明,在旋转弯曲加载下,500℃回火态的疲劳裂纹扩展速率比其它三个温度回火态的要低;而在三点弯曲加载下,随着回火温度的提高,裂纹扩展速率单调下降;裂纹扩展速率随回火温度变化规律与扩展机制随回火态的要低;而在三点弯曲加载下,随着回火温度的提高,裂纹扩展速率单调下降;裂纹扩展速率随回火温度变化规律与扩展机制随回火温度变化规律有密切的关系。结果表明,应该注意到加载方式对疲劳裂纹扩展的影响。