中心裂纹宽板的弹塑性有限元计算

本文应用ADINA/ADINAT程序研究了中心裂纹宽板在超屈服断裂时的弹塑性有限元计算。分析了有关弹塑性断裂力学计算中的三个重要问题:1.三维应力,即板厚度对裂纹尖端应力场的影响。2.超屈服断裂中裂纹尖端附近应力应变场的奇异性。3.应用 ADINA 程序进行弹塑性有限元计算时,其增量载荷的选择方法。最后作为一个实例,计算了60×60mm~2,裂纹长度α=15mm的小型宽板的应力应变场,并将这些计算结果与实验结果比较,其一致性是很好的。     

高频谐振载荷作用下Ⅰ型疲劳裂纹尖端力学参数变化规律

为研究高频谐振式疲劳裂纹扩展试验中带有Ⅰ型预制裂纹的紧凑拉伸(CT)试件裂纹尖端力学参数的变化规律,利用动态有限元方法,采用ANSYS和MATLAB软件编写程序,计算了CT试件在高频恒幅正弦交变载荷作用下,在一个应力循环及裂纹扩展到不同长度时裂纹尖端区域的位移、应变场及裂纹尖端的应力强度因子,并分析了其变化规律。在计算裂纹尖端应力强度因子时,首先采用静态有限元方法和理论公式验证了有限元建模和计算的正确性,然后采用动态有限元方法研究了裂纹扩展过程中裂纹尖端应力强度因子的变化规律。最后进行了高频谐振式疲劳裂纹扩展试验,采用动态高精度应变仪测量了裂纹扩展到不同阶段时裂纹尖端点的应变,并对有限元计算结果进行了验证。研究结果表明：在稳态裂纹扩展阶段,高频谐振载荷作用下Ⅰ型疲劳裂纹尖端位移、应变及应力强度因子均为与载荷同一形式的交变量;随着裂纹的扩展,Ⅰ型疲劳裂纹尖端的位移、应变及应力强度因子幅不断增大;静态应力强度因子有限元计算值和理论值的误差为2.51%,裂纹尖端点应变有限元计算结果和试验结果最大误差为2.93% 。     

非匹配焊接接头中裂纹尖端三维拘束状态分析

应用三维弹塑性有限元方法详细分析了焊接接头中裂纹尖端三维拘束状态的分布特征,结果表明：在试样中面附近围绕Ⅰ型裂纹前缘,应力状态均具有明显的平面应变特征,而应力三轴度（Rσ）仅在韧带附近为最大。匹配参数M、尺寸因素（h/a、B、a/w)及加载方式（CCP、TPB、SEC）均会对试样内部的应力三轴度产生显著影响,其中匹配程度是导强度,平面应变参量β仅表示三维应力状态趋珩平面应变的程度大小,而应力三轴度参量Rσ确实描述了三向拉应力状态的严重程度,对于给定试样形式,裂纹张开位移CTOD相等不能保证三维裂纹端存在相似的三轴应力状态,因而用CTOD参量表征材料断裂行为具有局限性。     

折线裂纹的当量应力强度因子

对于折线裂纹端点的应力强度因子,目前尚无理论计算公式。华东化工学院提出了用圆弧裂纹当量方法以近似计算扩展后斜裂纹的应力强度因子,分别在单向受载及x、y双向受载(σ_2/σ_1=0.5)情况下作了计算,并与试验     

双材料界面裂纹应力强度因子计算

建立不同裂纹长度的双材料界面裂纹模型,用有限元软件计算和分析界面裂纹尖端附近的应力场和位移场.利用裂尖前沿应力和裂纹面相对位移分别计算了界面裂纹尖端的应力强度因子K,两种方法计算的K值完全吻合.通过数值分析,给出一种计算双材料界面裂纹应力强度因子K的经验公式.     

单峰过载对工业纯钛CT试样裂纹闭合效应的影响

基于数字图像相关技术,使用非线性迭代法拟合工业纯钛CT试样表面位移场,获得了过载前、过载时、过载后循环的裂纹尖端位置随载荷的变化规律.使用数字图像相关技术获取裂纹张开位移,通过间接法测量裂纹张开力,进而研究过载对裂纹闭合效应的影响.对比过载前一循环与过载循环在卸载状态下裂纹尖端附近区域的应变场,结合裂纹尖端位置随载荷的变化规律及相对应循环的裂纹张开力,分析可知:过载在裂纹尖端附近区域产生较大塑性变形,即使卸载后仍在较大程度上得到保留,从而使裂纹闭合效应减弱,导致过载后裂纹尖端位置随载荷的变化规律与过载前明显不同,且力-位移曲线也未出现显著的转折点.     

V形切口尖端裂纹起裂方向的主应力判别准则及其验证

围绕V形切口尖端裂纹起裂方向,分析了V形切口尖端裂纹应力场、位移场、应力强度因子,提出了裂纹起裂方向的主应力判别准则。首先,详细给出了V形切口尖端应力应变场的求解方法,通过裂纹尖端场本征值的三次线性拟合及误差分析,确定了V形切口尖端裂纹位移场;然后,建立了V形切口尖端的数值分析模型,运用数值计算方法确定了应力强度因子和切口强度因子,提出了V形切口尖端裂纹起裂方向的主应力判断准则,给出了外推法求解分析过程;最后,以LY8为试验材料,在张角2β＝60°的V形切口情况下,对提出的V形切口尖端裂纹起裂方向计算方法与判别准则进行了试验验证。     

基于数字图像相关的J积分测量方法

J积分是定量描述裂纹尖端区域应力应变场强度的重要断裂参量,J积分的快速准确测量对于评估机械装备上裂纹的稳定性和扩展性有重要意义。从J积分的原始理论公式出发,结合数字图像相关技术,提出了一种J积分测量新方法。该方法首先通过数字图像相关技术,在不同载荷下对含裂纹缺陷的紧凑拉伸试样的表面位移场和应变场进行测算;然后选取围绕裂纹尖端的矩形积分路径,用离散化的方法对积分路径进行处理,并编写Matlab程序计算J积分;最后将该方法的计算结果与美国电力研究院(EPRI)工程估算法和有限元法获得的J积分进行对比。结果表明,由本文提出的方法获得的结果与其它计算方法获得的结果相近,并且在实验测量J积分方面具有非接触、高精度、光路简单、受环境影响小等优点。方法为裂纹断裂参数J积分的实验测量提供了一种方法,并可用于大型在役机械装备上表面裂纹的安全评估。     

关于疲劳裂纹扩展定量预测的研究

随着断裂力学在金属疲劳中的应用,疲劳裂纹扩展日益受到重视。疲劳裂纹扩展涉及由弹性、塑性变形、加工硬化、循环塑性损伤集累到断裂整个过程综合性作用。本文根据循环塑性损伤和循环伸张断裂区的概念提出一个裂纹扩展模型。用具有同样循环应变的光滑试样模拟裂纹尖端的循环塑性损伤,根据Coffin—Manson关系作断裂判据,裂纹微观不连续断裂是裂纹尖端局域循环塑性损伤的结果。用宏观统计处理得出中等⊿K范围稳态裂纹扩展速率。 da/dN=0.28/(1 n)σ_~2·[2/Eε_f′(πρ)~(1/1)~*]~(-1/c)·(1-R)(-1/c)-2·⊿K_1~(2-)(1/c)或da/aN=0.28/(1 n)σ_~2·[σ_(1 ν)/E】~(1 n·)[2~(-c)/K_(1c)]~(-1/c)·(1-R)~((-1/c)-2)·⊿K_1~(2-)(1/c) 以所提模型预测的疲劳裂纹扩展速率与中、低强度钢、铝合金和钛合金的实测值相当一致,并解释一些实验规律,因此所提的模型及裂纹扩展预测是合理的。     

高应变区SCT试样闭合效应研究

本文对两组材料为CF6钢，不同孔径的SCT试样进行了疲劳裂纹扩展的闭合效应测定，试验采用裂纹嘴张开位移和裂纹尖端附近张开位移曲线两种测量方法来测量裂纹闭合效应参数Uop,Ucl，通过对同组两试样的比较，得出了SCT试样高应变塑性区疲劳裂纹闭合效应参数。     

低周疲劳载荷下裂缝及缺口尖端弹塑性应变场

在低周疲劳载荷作用下,对中心、双边裂纹和双边缺口试件进行实验研究.用云纹方法测量了在载荷循环周期内、不同应变水平下,裂纹和缺口尖端位移场、应变场和应变集中系数。对裂纹延长线上应变奇异性进行了分析。这些结果对研究裂纹体在低周循环载荷作用下,裂纹的起裂、扩展是有意义的。     

制动盘热机开裂机理的模拟研究

综合考虑灰铸铁物理属性随温度变化规律、拉/压各向力学性能差异和弹塑性应变应力关系,采用有限元计算方法,研究灰铸铁制动盘在不同制动工况下的温度场、应力场、应变场以及热机裂纹强度,揭示制动盘热机开裂原因及裂纹分布规律。热机耦合计算结果表明制动盘在初始制动速度为180 km/h下,最大温度为360℃、径向压/拉应力275MPa/85 MPa、周向压/拉应力为374 MPa/100 MPa、径/周向塑性应变为-4.6×10~(-5)/-6.75×10~(-5)。热机开裂计算结果表明径向裂纹尖端应力强度因子ΔK为6.69MPa·m~(1/2)大于周向裂纹尖端应力强度因子5.49 MPa·m~(1/2),径向裂纹张开距离大于周向裂纹张开距离,证明制动盘表面裂纹分布以径向裂纹为主且径向裂纹尺寸大于周向裂纹。     

旋转圆盘内孔径向裂纹应力强度因子的有限元计算

一、奇性单元刚度阵的推导本文用有限元法计算了如图(一)所示的旋转圆盘的平面应变应力强度因子。计算中,在裂纹尖端附近采用奇性单元,在其余地方采用均匀应变三角形单元。均匀应变三角形单元的单元刚度阵和体积力向量的推导可参阅参考资料(一)。下面仅对裂纹尖端附近的奇性单元的刚度阵和体积力向量的公式作一些说明。参考资料(二)中W. K. WilSon讲述了如图(二) (三)所示的奇性单元。其位移模     

两种定向凝固镍基高温合金蠕变断裂的研究

用光学显微镜直接观测裂纹长度的方法研究了DZ-9,DZ-3合金在中温(760℃)下蠕变裂纹的扩展行为。当裂纹体平行于柱状晶生长方向时,裂纹扩展速率da/dt与应力强度因子K_1,净截面应力σ_N的关系符合Paris公式:da/dt=AK_(I~m)或da/dt=Bσ_(N~n)。DZ-3经热处理后比铸态具有更高的裂纹扩展抗力,更长的孕育期和断裂寿命。DZ-3此DZ-9有较高的裂纹扩展抗力,较长的孕育期和断裂寿命。当裂纹体垂直于柱状晶生长方向时,大大提高了裂纹扩展的抗力。组织结构分析表明:初生MC和共晶γ-γ′是微裂纹的策源地。裂纹尖端塑性区的位错组态与普通中温(T60℃)高应力蠕变试验条件下的非常相似。     

计算应力强度因子的无网格-直接位移法

目前计算裂纹尖端应力强度因子的无网格法一般均采用。积分方法,但由于该方法为间接求解,降低了求解精度与求解效率。文中采用无网格—伽辽金方法,选取带有扩展基的奇异基函数,以精确计算裂纹尖端位移场,并借鉴有限元法中计算应力强度因子的直接位移法,提出一种计算含裂结构裂纹尖端应力强度因子的新方法,即无网格—直接位移法。数值计算结果表明,该方法具有简捷、高效的特点,可以准确计算裂纹尖端应力强度因子。     

应力场强法研究

本文中作者提出了一种高周疲劳设计的新的方法——应力场强法（ISF法）。作者认为决定疲劳裂纹萌生和扩展的宏观力学参量是最大峰值应力点周围的局部应力应变场,这个应力应变场有一确定的范围。文中,作者提出一个新的力学参量——有效应力场强σ (RD),它定量地代表了局部应力场的强度,并能用作估算高周疲劳寿命的宏观判据,因为它恰当地反映了峰值点应力σ及其周围不同方向上应力梯度dσ/dx I（I=1,2……n）的综合影响,并在一定程度上代表了这个区域内变形能的积累。     

LC4铝合金薄板塑性应变比γ值的经验公式

测试了LC_4铝合金薄板退火,欠时效、峰值时效和过时效四种热处理状态的单向拉伸试样的应力与应变、γ值与应变的关系。结果表明:单向拉伸真应力σ与试样纵向、宽向和厚向塑性真应变ε_1,ε_2、ε_3的关系均符合Hollomon 公式。并指出:经验公式法可作为薄板γ值的一种测试方法。     

用云纹法对塑性平面应力变形体的量测计算

本文着重探讨用云纹法对塑性平面应力状态变形体进行应变应力量测计算的方法。提出利用云纹法有效地将变形体中弹性变形区和塑性变形区分开。并将变形体受载后产生的弹性位移、应变、应变增量和塑性位移、应变、应变增量分别定量量测和计算出来。运用塑性流动理论和上述方法相结合制定数学模型、编写计算机程序、计算全场应力分布。在实验上解决了用云纹法进行塑性变形量测的有关技术问题。本文分析实验和计算结果,得出在塑性变形物体中弹性变形所占的比例,以及塑性变形应力集中系数和应变集中系数与弹性变形应力集中系数的差异,并且获得全场位移、应变、应变速度,应变速度强度和应力诸分量的解。     

试件型式对COD启裂值及阻力曲线的影响

本文采用卸载剖面法测试了CCT试件和TPB试件的卸载COD阻力曲线及卸载伸张区,并且用弹塑性有限元法计算了两种试件裂纹前方韧带上的应力应变场。试验结果表明,COD启裂值和阻力曲线斜率均依赖于试件型式。CCT试件的断裂阻力比TPB试件的断裂阻力大。两种试件边界条件不同,尖端附近应力应变场也不同,因此导致了断裂阻力的差别.     

线性强化弹塑性裂纹尖端韧带线场

计及弹性应变，引入一代表裂尖区各点弹性变形、塑性变形比例的参量Vep，得到平面应变下Ⅰ型裂纹的线性强化弹塑性韧带近似解，并导出其应力、应变以及能量密度的表达式。Vep作为约束参数进入弹塑性裂纹尖端场，其值的变化可引起裂尖能量密度场的明显变化。该场从理论上阐明弹塑性裂纹尖端场中弹性项的地位和作用及其和裂尖约束的内在联系。