加筋板多处损伤疲劳裂纹扩展研究

给出加筋板多处损伤裂纹扩展的预测计算和试验,其目的是研究飞机真实结构--加筋板多裂纹扩展的预测计算方法.用Walker裂纹扩展方程和Willenborg-Chang裂纹扩展模型为根据,并在每个载荷循环都考虑裂纹之间的相互影响.用循环接循环进行裂纹累积,用虚拟施加剩余强度载荷和裂尖韧带塑性区连通判据确定临界裂纹尺寸.文中给出典型随机谱下加筋板多裂纹扩展计算预测,并给出初始裂纹和剩余强度载荷的改变对临界裂纹尺寸和扩展寿命的影响,也给出在恒幅谱及程序块谱载荷下加筋板多裂纹的扩展试验以及试验与计算的比较.     

冲击和非冲击疲劳载荷下过载对随后裂纹扩展的影响

对12CrNi3A钢在冲击和非冲击疲劳载荷下的过载裂纹扩展延迟效应的研究表明:过载对随后裂纹扩展的影响不仅取决于过载力作用下的裂尖塑变,还取决于随后基载力作用下的裂尖塑变。过载对随后裂纹扩展的影响存在两个互为矛盾的方面:一是裂尖塑变损伤促进裂纹扩展:另一则是产生的裂尖残余压应力场和闭合效应延缓裂纹扩展,两方面共同作用结果才能最终决定对随后裂纹扩展的影响。相同条件下,冲击疲劳载荷下的延迟期M_d高于非冲击疲劳载荷下的延迟期。     

循环压缩应力作用下的疲劳裂纹扩展机制研究

裂纹在循环压缩载荷作用下的扩展已经被实验证实，但是由于难以进行观测因而无法准确描述，另外裂纹面在压缩载荷的作用下会出现闭合现象也增加了问题的复杂性。文中通过有限元方法，建立三种几何条件的裂纹模型，考虑裂纹面接触问题，进而对循环压缩载荷作用下的裂纹萌生扩展进行分析。结果表明，裂尖区域在循环压缩载荷作用下的残余拉伸应力是导致裂纹扩展的重要因素。同时，还对不同裂尖几何在裂纹描述的合理性方面提出一些看法。研究表明，裂纹在循环压缩载荷作用下的扩展能力是有限的、稳定的。     

LY12CZ铝合金在人工海水中的腐蚀疲劳裂纹扩展行为

采用腐蚀疲劳试验方法,研究了LY12CZ铝合金在人工海水(3.5%Na Cl溶液)中腐蚀疲劳裂纹的扩展规律,分析了载荷频率、应力比以及人工海水p H对裂纹扩展速率的影响,并借助扫描电镜对其断口形貌进行了观察。结果表明:随载荷频率、人工海水p H的降低,腐蚀疲劳裂纹扩展速率会显著加快,应力比则主要影响腐蚀疲劳近门槛值区的裂纹扩展;在中性人工海水中阳极溶解对裂纹加速扩展起主导作用;随人工海水p H的降低,裂尖氢置换反应加剧,裂尖材料氢损伤对裂纹扩展的加速效应逐渐显现。     

疲劳裂纹扩展中停留机制的考察

采用高精度局部柔度测量技术,对结构钢SM400进行两种阶梯式变载条件下的疲劳试验,考察疲劳裂纹扩展中迟滞回线的形态变化与裂纹停留的关系.基于循环载荷中柔度变化与裂纹开闭口以及裂纹尖端附近应力分布的关系,讨论不同载荷方式下裂纹停留的形成机制.结果表明,裂纹停留意味着循环加载过程中裂纹尖端既不形成拉伸塑性区,也不形成压缩塑性区.疲劳裂纹停留在最大载荷时的裂纹形态有"裂尖锐型"和"裂尖钝型".基于最大载荷和最小载荷后残留在裂纹表面的拉伸变形层确定载荷FRCPG和FRPG,能够获悉在最大和最小载荷时出现塑性区引起裂纹扩展的等价波形,可用于随机载荷波形的计数,为发展工程结构的剩余寿命预测提供一种理论依据.     

压载荷对疲劳裂纹在Paris区内扩展影响的有限元研究

以7049-UA铝合金为研究对象,用弹塑性有限元方法分析拉压循环载荷下,三条不同裂纹长度的裂尖应力场,通过裂尖的应力状态定义一个考虑压载荷影响的有效应力强度因子范围参数ΔKeff′,并利用此参数,定量分析循环拉压载荷对铝合金疲劳裂纹扩展的促进作用,并提出一种简便的利用有限元方法拟合应力比为负值时Paris区的疲劳裂纹扩展速率的方法,与已发表的实验数据相比较,得到较好的验证.     

准脆性金属材料的Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹扩展速率预测

基于断裂与损伤力学方法,将裂纹的开裂和疲劳扩展两个过程结合起来考虑,研究准脆性金属材料内Ⅰ-Ⅱ 混合型裂纹起裂后稳定扩展速率的预测问题.由于裂纹空间分布的复杂性及数学上的困难,将该裂纹简化为二维裂纹.首先分析裂尖构成,判定该裂纹的进一步扩展即分支裂纹的扩展问题,将Ⅰ、Ⅱ混合型裂纹等价地处理为起裂方向上的当量Ⅰ型裂纹;其次在断裂损伤耦合的基础上,对损伤(硬化)区的边界进行探讨;最后在损伤力学框架下,对该裂纹的扩展速率进行分析,初步导出一个Paris型的裂纹扩展速率公式.研究结论与有关文献及工程实际相吻合.在裂纹起裂和疲劳寿命预测研究方面具有一定的理论价值.     

用损伤变量D2计算活塞杆裂纹扩展阶段的剩余强度与剩余寿命

提出了弹塑性材料在疲劳载荷作用下，在裂纹扩展阶段，用损伤变量D2作为本阶段强度与寿命的计算参量，提出了这个过程描述多晶材料弹塑性行为的新方程，并以压缩机活塞杆为实例，计算了螺纹连接部位裂尖的剩余强度与剩余寿命。     

基于宏—细观模型的疲劳裂纹萌生数值模拟

为了研究材料微观特性对结构疲劳寿命的影响,提高结构疲劳寿命预估精度,根据Tanaka-Mura单一微裂纹及裂尖微裂纹萌生寿命预测模型,模拟疲劳载荷下某马氏体钢孔边疲劳裂纹萌生寿命。利用泰森多边形生成法,生成代表多晶结构的二维特征单元。考虑晶粒内相互垂直的多滑移特性以及已起裂裂纹对相邻晶粒裂纹萌生的影响,建立微裂纹起裂与扩展的改进模型。中心孔平板试件疲劳寿命的数值模拟结果与试验值吻合良好,说明给出的改进宏细观疲劳寿命预测模型的有效性。     

16MnR钢在不同应力比下的疲劳裂纹扩展的试验研究及模拟

采用3.8 mm厚带有圆形缺口的CT试样,研究了16MnR钢在不同应力比的恒幅循环载荷作用下的疲劳裂纹扩展。开发了一种基于疲劳损伤的方法来模拟疲劳裂纹扩展速率。将16MnR钢的循环塑性本构模型通过用户材料子程序UMAT嵌入到ABAQUS中。把有限元计算得到的疲劳裂纹尖端附近区域的弹塑性循环应力应变结果,代入到疲劳损伤模型中,得到每个加载循环在裂尖各点产生的疲劳损伤值。通过疲劳损伤准则,导出疲劳裂纹稳定扩展速率的计算公式。疲劳裂纹扩展试验验证了模拟结果。实验结果和模拟结果都表明,该试样厚度下,应力比对裂纹扩展速率几乎没有影响。     

含夹杂物轴承钢中裂纹的萌生与扩展

针对轴承钢中夹杂物周围应力集中导致的疲劳剥落,建立了一种结合连续损伤力学的内聚力模型,用于模拟滚动接触循环加载下的裂纹萌生与扩展。基于内聚力模型的损伤起始准则和损伤演化规律,利用VUMAT子程序结合连续损伤力学构造了新的损伤演化方式,实现循环加载下的损伤累积,建立了基于内聚力模型的疲劳损伤累积失效模型,对含夹杂物模型的疲劳裂纹萌生与扩展进行了模拟,并研究了载荷条件和接触区摩擦因数对裂纹萌生与扩展以及疲劳寿命的影响。研究结果揭示了微观裂纹的萌生与扩展过程,为认识滚动接触疲劳提供了基础。     

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。     

Optimisation Method for Determination of Crack Tip Position Based on Gauss-Newton Iterative Technique

In the digital image correlation research of fatigue crack growth rate,the accuracy of the crack tip position determines the accuracy of the calculation of the stress intensity factor,thereby affecting the life prediction.This paper proposes a Gauss-Newton iteration method for solving the crack tip position.The conventional linear fitting method provides an iterative initial solution for this method,and the preconditioned conjugate gradient method is used to solve the ill-conditioned matrix.A noise-added artificial displacement field is used to verify the feasibility of the method,which shows that all parameters can be solved with satisfactory results.The actual stress intensity factor solution case shows that the stress intensity factor value obtained by the method in this paper is very close to the finite element result,and the relative error between the two is only-0.621％;The Williams coefficient obtained by this method can also better define the contour of the plastic zone at the crack tip,and the maximum relative error with the test plastic zone area is-11.29％.The relative error between the contour of the plastic zone defined by the conventional method and the area of the experimental plastic zone reached a maximum of 26.05％.The crack tip coordinates,stress intensity factors,and plastic zone contour changes in the loading and unloading phases are explored.The results show that the crack tip change during the loading process is faster than the change during the unloading process;the stress intensity factor during the unloading process under the same load condition is larger than that during the loading process;under the same load,the theoretical plastic zone during the unloading process is higher than that during the loading process.     

拉压载荷对疲劳裂纹扩展影响的有限元分析

利用弹塑性有限元方法研究了压应力对裂纹尖端塑性区的影响和长短裂纹尖端的塑性区和裂纹张开剖面.通过分析表明,压应力对裂纹尖端塑性区和疲劳裂纹的扩展有显著的影响.     

基于红外热成像的镁合金疲劳裂纹扩展的研究

采用红外热成像技术监测疲劳裂纹扩展过程中试件表面温度的变化情况,对AZ31B镁合金板材室温下的疲劳裂纹扩展特征进行研究。分析疲劳裂纹尖端温升值与裂纹长度的对应关系,试件表面温度分布差异与裂纹扩展趋势的关系,探索镁合金材料疲劳裂纹扩展的规律。试验结果表明,疲劳裂纹扩展过程中,镁合金表面温度变化经过一个升温、降温的过程,在稳定扩展阶段,温度变化不大,在快速扩展阶段,温度呈明显上升趋势。三组试件最高温升值分别为A试件10.89℃、B试件15.19℃、C试件12.37℃。裂纹尖端及其附近组织观察发现,裂纹尖端发生转向,裂纹总体为穿晶断裂,并伴随少量沿晶断裂,在裂纹附近区域有少量塑性变形。疲劳试件表面的最高温度区域与材料的疲劳损伤机制相关,该区域对应材料的应力集中区,是疲劳微裂纹形成与扩展的部位,温度变化与试件的最终断面相吻合。     

基于疲劳短裂纹行为的疲劳寿命估算方法

在疲劳短裂纹形成和扩展行为基础上，提出了一种疲劳寿命估算方法。计算结果表明，该方法具有满意的预测精度。     

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。     

含埋藏裂纹构件脉冲放电相变应力分析

对带有圆形埋藏裂纹的40CrNiMo金属构件进行了脉冲放电止裂强化实验。通过对脉冲放电后裂纹尖端的宏观形貌、相变区域与基体区的化学成分及显微硬度进行对比分析,发现相变区的组织得到了细化,其显微硬度得到大幅度提高;应用含有热源的非齐次非稳态热传导方程、相变动力学及等效夹杂等理论推导出了裂尖相变区域的相变应力理论公式。结果表明,裂尖附近相变区域形成了相变压应力,验证了电磁热效应对埋藏裂纹的扩展起到抑制作用。     

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。