基于分布位错法研究多条微裂纹对偏折主裂纹的影响

目的 采用理论方法求解多条微裂纹对偏折主裂纹的影响,重点分析偏折主裂纹尖端的力学行为及微裂纹对主裂纹扩展角度和闭合区域的影响等问题,为实际的工程应用提供理论依据。方法 运用叠加原理将主问题分解成2个子问题,通过材料力学方法求解子问题一;基于分布位错方法求解子问题二。进一步建立关于位错密度的奇异积分方程,利用Gauss-Chebyshev数值求积分法解决位错密度方程的奇异性问题,并通过计算机编写程序,最终得到相关力学参量的数值解。结果 得到了偏折主裂纹附近的应力场以及微裂纹长度、微裂纹个数对偏折主裂纹尖端应力强度因子的影响等相关力学参量。分析了主裂纹不同偏折角度时的闭合区域,以及微裂纹的方位角、微裂纹个数等对偏折主裂纹扩展角度的影响。结论 裂纹面对拉应力有屏蔽作用,导致拉应力在裂纹面附近应力松弛,而裂纹尖端对拉应力有放大作用,随着应力增加将导致裂纹的扩展。一条微裂纹位于主裂纹尖端约–30°<θ<50°时,将使主裂纹尖端应力强度因子增加,促进主裂纹的扩展,而微裂纹位于50°<θ<90°或–90°<θ<–30°时,将使主裂纹尖端应力强度因子减小,抑制主裂纹的扩展。主裂纹尖端应力强度因子随微裂纹长度的增加而变大,随微裂纹与主裂纹间距离的增加而减小。     

典型滑坡危险性的接触力学预测模型

采用接触力学模型分析了边坡的滑动过程。模型中计入了可能滑坡面岩石材料强度的影响,并通过迭代计算的办法求解该边界非线性的摩擦接触问题。考虑到势能、应变能、动能、摩擦力做功等,使用逐步计算的办法来模拟滑坡的滑动过程,计算了每一个时间步中滑坡系统的能量变化。用模型进行了岩石边坡的算例研究,证明了该模型的在滑坡研究中是可行的,获得了算例边坡的滑坡启动、滑动和停止的全过程,结果表明,边坡通常存在完好状态、局部滑动状态、完全滑动状态这三个主要形态,获得了滑坡的滑动距离等重要结果。     

轮轨接触表面有液态介质时的接触问题研究

采用接触单元方法,结合初应力法,对于具有表面微观粗糙度和有液态介质存在于轮轨接触表面的弹塑性接触问题进行了研究,获得了轮轨表面接触压力分布、应力分布等结果。结果表明,它们都存在不同程度的峰值,且这些峰值比Hertzian 接触压力大许多,这是由于有表面微观粗糙度的存在,接触过程中凸出的部分进入了接触,而凹下的部分还未进入接触所致。对于法向接触压力,总的来说弹性计算结果的峰值比弹塑性计算结果的峰值要大。而且轮轨接触表面无液态介质存在时的弹塑性计算结果的接触压力峰值比有液态介质存在下的弹塑性计算结果的峰值要大,这是由于接触表面有液态介质存在时,在凹下的部位液态介质不易自由流动和不可压缩特性,引起了液态介质承受了压力所致。     

环氧树脂对玻璃纤维/水泥复合材料界面性能的影响

在细观单纤维拔出实验基础上,利用ANSYS有限元程序,结合生死单元方法,对环氧树脂接枝处理的玻璃纤维/水泥基复合材料纤维拔出行为进行数值模拟,获得了界面理想结合/界面非理想结合下的拔出荷载-位移曲线。讨论了环氧树脂光滑接枝与粗糙接枝对玻璃纤维/水泥基复合材料界面强度的影响,研究表明,环氧树脂接枝不仅具有良好的界面结合性,还具有良好的机械嵌合性。     

分布位错法研究钢轨表面边缘直裂纹的力学行为

目的钢轨表面损伤机理较为复杂,因此进行相应的理论研究来探究其力学原理,为实际的工程应用提供理论依据。方法利用叠加原理将主问题分解成两个子问题,通过函数拟合得到轮轨接触力,基于弹性力学集中力的Flamant解求解子问题1,基于分布位错技术求解子问题2。进一步建立了两类关于位错密度的积分方程,利用Gauss-Chebyshev数值求积法解决位错密度的奇异积分方程,得到了相关的力学参量。结果得到了列车在含边缘直裂纹钢轨上运行时的最危险位置,以及张开部分裂纹长度和不同类型裂纹的尖端应力强度因子等。分析了不同轮重大小、列车运行状态(稳态滚动和全滑动)等因素对裂尖应力强度因子及张开裂纹长度的影响,还分析了列车运行中裂纹面的滑移等。结论列车稳态滚动于含初始边缘长裂纹的钢轨表面时,以剪切破坏为主,列车所处最危险位置是裂纹位于接触斑边缘附近;全滑动运行时,裂纹面上的应力大小和方向均会发生改变,导致裂纹面状态(张开或闭合)随之改变,裂纹较短时,钢轨表面容易发生沿深度方向的张开型扩展。     

基于概率统计方法对钢轨疲劳裂纹路径的研究

目的利用有限元软件ANSYS对车轮滚过裂纹过程进行分析,确定轮轨接触疲劳裂纹的扩展方向。方法基于最大周向应力判据,用概率统计的方法对车轮滚过裂纹过程中,不同角度初始裂纹可能的扩展角度进行分析。车轮滚过裂纹过程中,用可能扩展角度的均值作为裂纹的扩展方向计算裂纹扩展路径。结果用概率坐标纸拟合出的相关系数均大于98.5%,说明裂纹可能的扩展角度符合威布尔分布的可能性超过98.5%。当裂纹长度小于700μm时,裂纹可能的扩展角度基本符合威布尔分布;当裂纹长度达到800μm时,裂纹尖端的等效应力强度因子(Keff)出现4个峰值;当裂纹长度达到1200μm时,第3个峰值载荷处裂纹尖端的Keff超过了材料的断裂韧性,此时裂纹会向行车相反的方向急剧地扩展。结论对于不同角度初始裂纹,其扩展角度基本符合威布尔分布;整个裂纹路径的趋势与实验测得的裂纹路径有较好的一致性,车轮滚过裂纹过程中,用裂纹可能扩展角度的均值作为裂纹的扩展方向可行。     

轮轨接触表面微裂纹的扩展

在考虑轨道表面的微观粗糙度情况下,研究了U71Mn钢轨表面微裂纹的扩展问题.利用大型有限元程序ANSYS建立了具有表面微裂纹的轮轨接触二维有限元模型.在轮轨接触区引入接触单元模拟轮轨的接触,并在裂纹面上也引入了接触单元,模拟裂纹面的张开和闭合.在裂纹尖端引入了奇异单元,以研究裂尖应力强度因子,计算中考虑了钢轨材料的非线性和接触边界的非线性.通过计算,获得了轮轨接触压力分布,并获得了轮重为5和10t时,车轮滚动到不同位置处的钢轨表面微裂纹的裂尖应力强度因子.结果表明:在车轮碾压过程中,钢轨表面微裂纹只在接触斑边缘附近时才会张开,其他位置微裂纹是闭合的;随着轮重的增加,裂纹由复合型转为以Ⅰ型为主;5t轮重作用下钢轨表面微观裂纹不会扩展,而在10t轮重作用下钢轨表面微裂纹会发生扩展,但不会出现快速断裂.     

滚动接触疲劳短裂纹扩展机制及预防研究

采用有限元分析软件ANSYS,在无摩擦、纯滚动、全滑动三种运行状态下,研究钢轨表面短裂纹的疲劳断裂机制,并分析轮轨间摩擦因数对接触疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明,轮轨接触的疲劳裂纹为张开型和滑开型同时存在的复合型裂纹,裂纹发生张开型破坏的最危险位置在接触斑边缘的位置;随着裂纹角度的增加,应力强度因子KI增加而KII减小,其中60°裂纹的扩展速率最快;摩擦力的存在明显加剧了裂纹扩展速率,且随着摩擦因数的增加而增大。对钢轨表面预防性打磨周期进行预测时,以60°裂纹为基准的预测结果偏安全。     

高分子复合材料接触力学的有限元研究

采用有限元方法，并结合边界元方法，研究了高分子复合材料的力学问题，用可能接触区接触节点对方法，比例加载方法和库仑摩擦定律来模拟该问题。在受载过程中，随载的增加而逐渐改变接触边界条件。由于边界条件的不定性，导致了该问题的非线性，故了数学规划方法求解高度不定性的弹性接触方程组，进而求得接触区的接触位移和接触压力。     

高分子材料的粘弹性摩擦接触力学研究

采用非线性有限元方法研究了高分子材料的粘弹性摩擦接触问题,采用初应变法将粘弹性材料的蠕变应变转化为等价的虚拟节点力,并结合线性粘弹性理论对蠕变应变进行迭代修正,从而获得了粘弹性材料满足摩擦接触条件的解答。文中考虑了接触问题的边界非线性和粘弹性材料的材料非线性。并考虑了接触过程中温度,模量等级时间的增加而改变。