双金属接头界面裂纹几何拘束与断裂韧性的统一关联

针对均质材料A508合金钢定义了可表征面内/面外几何拘束的统一拘束参数Ap,但在双金属接头或异种金属焊接接头中,除了存在面内/面外几何拘束外,还存在材料性能失配引起的材料拘束。针对均质材料定义的统一拘束参数Ap能否同时对几何拘束与材料拘束进行表征还需要进一步的研究。采用有限元数值模拟的方法,对不同面内、面外拘束的双金属接头界面裂纹尖端的等效塑性应变等值线所围面积进行了计算;并用嵌含有GTN损伤模型的有限元法计算了不同拘束状态下双金属接头界面裂纹的J-R阻力曲线和延性断裂韧性。之后,分析了Ap作为几何拘束与材料拘束统一表征参数的可行性。结果表明:Ap可作为统一拘束参数对几何拘束和材料拘束同时进行表征,并可用其建立双金属接头中几何拘束与断裂韧性之间的统一关联线。     

几何和材料拘束与高匹配焊接接头断裂韧性的统一关联

采用数值计算方法研究了拘束参数A_p对高匹配窄间隙焊接接头面内/面外几何拘束和材料拘束的统一表征能力,以及参数A_p与接头不同位置裂纹断裂韧性的可关联性。结果表明,几何和材料拘束对高匹配窄间隙焊接接头的J-R阻力曲线和断裂韧性J_C具有显著的影响。参数A_p可以统一地表征该种接头不同位置裂纹的面内/面外几何拘束及由材料强度失配引起的材料拘束,基于A_p可建立统一拘束与接头断裂韧性的关联。计算得到了不同位置裂纹的标称断裂韧性J_C/Jref与A_p的关联式。     

基于裂尖张开位移的统一拘束参数与材料断裂韧性的关联

为发展可同时纳入面内/面外拘束的结构断裂评定新方法,需要研究便于工程计算和应用的统一拘束参数,并建立其与材料断裂韧性的关联。基于裂尖张开位移(CTOD)定义了一个新的拘束参数A_d,采用有限元法计算了核电压力容器用A508钢不同面内和面外拘束的SEN(B)和C(T)试样在断裂J积分J_c下的A_d,研究了A_d与A508钢断裂韧性的可关联性。研究发现,不同面内/面外拘束试样的断裂韧性J_c/J_(ref)数据和拘束参数A_d之间可以形成一条与参考试样无关的关联直线,表明A_d可以同时纳入面内与面外拘束。A_d参数便于测量和计算,其可望成为一个便于工程应用的统一拘束参数;A_d参数与材料断裂韧性J_c/J_(ref)之间的关联线可望用于结构(如压力容器和管道等)纳入面内/面外拘束效应的断裂评定,以提高传统不考虑拘束的断裂评定的精度。     

实际结构拘束相关断裂韧性的确定方法研究

材料的断裂韧性受裂尖拘束的影响,为了对含裂纹结构进行准确的完整性评定,需要计算拘束相关的断裂韧性。基于统一拘束参数Ap及其与断裂韧性的统一关联,提出了一种实际结构拘束相关断裂韧性的确定方法。并以核电站主管道为例,对不同长度、不同深度3D裂纹的断裂韧性与起裂弯矩进行了计算。计算结果表明:管道裂纹的断裂韧性和起裂弯矩与裂尖拘束密切相关,a/t=0.5,a/c=0.5~0.6形状尺寸的裂纹更容易发生断裂。此研究对于发展纳入拘束效应的结构完整性评定技术和方法、提高结构可靠性等方面具有重要的意义。     

材料拘束相关的J-R阻力曲线的构建

材料的J-R阻力曲线受裂尖拘束的影响。为在结构完整性评定中准确纳入这种影响,需要构建材料拘束相关的J-R阻力曲线。基于新发展的面内与面外统一拘束参数Ad,定义了一个载荷无关的统一拘束参数A_d~*。用有限元法计算了不同拘束试样在不同J积分下的A_d~*值,验证了A_d~*的载荷无关性。基于参数A_d~*和不同拘束试样的J-R阻力曲线,研究了构建材料拘束相关的J-R阻力曲线的方法,并得到了核电压力容器A508钢和X80管线钢的拘束相关的J-R阻力曲线的数学方程。通过方程预测的J-R阻力曲线与数值模拟曲线和试验曲线的对比,验证了方程预测的准确性。所构建的J-R阻力曲线方程可用于结构(如压力容器、管道等)的延性撕裂及裂纹扩展稳定性评定,以提高传统不考虑拘束评定的精度。     

宽范围不同尺寸C(T)试样的统一蠕变拘束参数

基于三维有限元分析,对不同尺寸C(T)试样的统一蠕变拘束参数Ac进行计算研究。获得了宽范围不同厚度比B/W、不同宽度W和不同裂纹深度比a/W的C(T)试样的拘束参数Ac值,探明了试样尺寸对拘束的影响规律。结果表明,B/W对C(T)试样的拘束影响最大,W次之,a/W的影响最小。随B/W和W的增加,参数Ac降低,试样拘束水平增加,蠕变裂纹起裂(CCI)时间变短,蠕变裂纹扩展(CCG)速率加快。在测试材料的CCI时间和CCG速率及改变C(T)试样的拘束水平时,应重点考虑B/W和W的影响。     

试样几何尺寸对347L材料断裂性能的影响

开展了347L不锈钢材料紧凑拉伸试样在不同厚度及裂纹长度下的断裂韧性试验研究，并通过有限元分析了上述试样的拘束水平，建立了表观断裂韧度J_Q0.2BL与裂尖拘束Q的关联方程。结果表明：试样的断裂韧性J_Q0.2BL值随试样厚度增大而减小，1C(T)试样的J-R曲线基本不随初始裂纹长度改变而发生变化，受初始裂纹长度影响的1/2C(T)试样的J_Q0.2BL值随裂尖Q减小而增大。研究结果对于材料断裂韧性测试以及含缺陷结构安全评价具有参考意义。     

不同实验室试样间拘束度的匹配性研究

裂尖拘束度的匹配是目前结构完整性评定中所面临的难题。由于拘束参数的限制,不同实验室试样间、实验室试样与实际结构间拘束度的匹配还没有建立。基于统一拘束参数Ap,以常用实验室SENB,CT,SENT和CCT试样为研究对象,对不同拘束状态下各试样的裂尖拘束进行研究,构建了不同试样的J/J_(ref)-(A _p)~(1/2)关联线,建立了不同试样间拘束度的匹配。本研究将为构建纳入拘束的准确的结构完整性评定技术和方法提供科学支持。     

基于局部法定量表征面外拘束效应对转变区间断裂韧度的影响

拘束效应制约了主曲线法表征转变区间的断裂韧度,局部法作为一种细观解理断裂力学方法有望用来解决这个问题。利用两种不同拘束配置的三点弯曲试样,通过交点法标定了国产压力容器用钢Q345R的局部法参量,借助于韧性换算思想将低拘束的试样断裂韧度结果换算成高拘束的结果。通过对比高拘束实测参考温度T 0值,验证了模型的正确性。基于此提出了一种预测不同面外拘束试样参考温度的方法,通过改变厚度的大小,研究了三点弯曲试样厚度对T 0的影响。结果表明,试样厚度越大,韧脆转变温度越高,断裂韧性下降,当厚度大于25.4 mm后会出现一个韧性平台,接近平面应变状态;厚度低于该值会造成严重的拘束缺失,T 0值远大于真实值会造成危险评估,尤其对于低硬化材料,这种现象更为明显。     

面内、面外拘束交互作用下异种金属焊接接头的断裂行为

为了对异种金属焊接接头进行准确的结构完整性评定,以核电安全端52M镍基合金异种金属焊接接头最薄弱位置熔合区为研究对象,通过室温断裂力学试验和断口形貌观察等对面内、面外拘束交互作用下异种金属焊接接头的断裂行为进行研究。结果表明:在低面内、低面外拘束作用下,试样发生了高延性断裂,其J-R曲线较高;在低面内、高面外拘束作用下,试样在靠近初始裂纹的位置发生了延性断裂,在远离初始裂纹的位置发生了脆性断裂和延性断裂共存的混合断裂,其J-R曲线居中;在高面内、低面外拘束下和高面内、高面外拘束作用下,试样均发生了以脆性断裂为主的混合断裂,其J-R曲线均较低。     

外部拘束条件下Q345钢单道堆焊接头面外变形机理的探讨

采用数值模拟和试验手段相结合的方法研究外部拘束对低合金高强钢Q345单道堆焊接头面外变形影响的机理。基于有限元软件ABAQUS平台,开发同时考虑材料非线性、几何非线性与接触非线性的热-弹-塑性有限元算法来模拟板厚为2 mm和4 mm的低合金高强钢薄板单道堆焊的温度场、残余应力和焊接变形。同时,采用试验方法测量了薄板接头的面外变形。通过比较试验结果和模拟结果,验证了所开发的有限元计算方法的有效性。分析自由状态和外加约束条件下接头的面外变形模式;比较中央截面平均压应力和其临界失稳应力的数值;研究不同拘束位置对纵向塑性应变和横向塑性应变分布的影响。结果表明,在薄板发生失稳变形时,外加拘束对面外变形的控制作用不明显;而在薄板未发生失稳变形时,外部拘束能够明显减小面外变形。     

延性材料损伤孔洞尺寸效应探讨

应用有限元方法 ,对延性材料孔洞型损伤中的尺寸效应问题进行尝试性探讨。考察具有相同初始孔洞体积分数 f0 、不同孔洞尺寸 (半径比为 2 :1.6 :0 .96 )的延性材料中 ,孔洞尺寸对表征材料损伤程度的孔洞体积分数 f演化过程的影响。结果发现 :在较低应力状态下 ,孔洞尺寸的差异 ,对孔洞增长的快慢影响较小 ;但在裂纹试件所对应的高应力状态下 ,这种影响很突出 :大尺寸孔洞加速了材料中孔洞体积分数 f的增长 ,加剧了材料损伤。所以降低材料中孔洞或颗粒尺寸有助于其延性、尤其是断裂韧性的提高     

BFPC固定结合面虚拟材料参数识别

为了准确识别玄武岩纤维树脂混凝土(Basalt fiber folymer concrete,BFPC)固定结合面虚拟材料参数,基于两自由度弹簧-阻尼动力学模型建立了BFPC固定结合面动态模型,在此基础上辅以实验测试方法确定了9组不同表面粗糙度和结合面压下的BFPC结合面动态特性参数.基于横观各向同性、赫兹接触理论和分形理论建立了BFPC结合面虚拟材料的动态特性参数数学模型,结合实验结果识别不同表面粗糙度和结合面压下的虚拟材料参数.通过对比含有BFPC结合面的组件模态振型和固有频率理论分析和有限元仿真分析结果,证明了BFPC结合面虚拟材料参数识别方法的正确性.     

管道结构与不同实验室试样间裂尖拘束度的匹配

选用统一拘束参数Ap,采用有限元模拟方法分别对不同初始裂纹尺寸下管道结构和实验室单边缺口弯曲(SENB)试样、紧凑拉伸(CT)试样、单边裂纹拉伸(SENT)试样和中心裂纹拉伸(CCT)试样的裂尖拘束度进行了表征,并构建了管道结构与实验室试样间裂尖拘束度的匹配。结果表明:管道结构的裂尖拘束度与SENB试样和CCT试样的裂尖拘束度匹配性较差;初始裂纹尺寸a/c=0.2,a/t=0.5(a为裂纹深度,c为1/2裂纹长度,t为管壁厚度)条件下管道结构的裂尖拘束度与含有深裂纹(a/W=0.7,W为试样宽度)CT试样的裂尖拘束度相接近,初始裂纹尺寸a/c=0.8,a/t=0.5,0.8条件下管道结构的裂尖拘束度与含有深裂纹(a/W=0.5,0.6,0.7)CT试样的裂尖拘束度相匹配;管道结构的裂尖拘束度与SENT试样的裂尖拘束度相近,二者具有较好的匹配性;在对实际结构进行完整性评定时,可选择与实际结构裂尖拘束度相近的实验室试样进行断裂力学试验,以其测定的断裂力学性能对该实际结构进行评定,从而增加评定的准确性。     

动力蓄电池包挤压失效仿真与实验

为提高动力蓄电池包挤压仿真的精度,将延性损伤准则引入到有限元仿真,通过单轴拉伸试验、纯剪切试验与缺口件拉伸试验与有限元仿真,获得了某动力蓄电池包结构所用材料6061-T6铝合金的延性损伤参数。型材三点弯曲试验、动力蓄电池包挤压试验与有限元仿真的结果表明：输入延性损伤参数的有限元仿真结果与试验结果误差小,能较为准确地模拟铝合金损伤对结构承载性能的影响;不考虑材料失效的结果与试验结果误差较大。     

材料特性对车轮疲劳强度的影响

研究材料非线性本构、非金属夹杂物、低温冲击功和断裂韧性对高速动车组车轮疲劳强度的影响。考虑弹塑性接触带钢轨车轮有限元分析模型,研究不同轮径下车轮轮辋应力分布规律。研究影响车轮疲劳强度的材料主要性能指标,研究夹杂物尺寸和许用应力、裂纹扩展门槛值的关系。研究断裂韧性和踏面剥离的关系、低温冲击功和车轮瞬间脆性破坏的关系。分析不同轮径和车轮疲劳强度的关系。     

强度匹配对焊接管韧性断裂行为的影响

针对焊接过程中强度匹配对焊接接头断裂韧性及韧性裂纹扩展阻力曲线行为的影响,以弹塑性断裂力学理论为基础,基于细观塑性损伤模型,应用ABAQUS有限元软件,采用修正边界层(MBL)模型进行有限元模拟与分析。同时考虑加工硬化指数以及材料屈服强度等因素对断裂韧性及阻力曲线的影响。结果表明,不同屈服强度和应变硬化指数条件下,随着强度匹配系数My增加,焊接接头的断裂韧性及阻力曲线降低。     

焊接接头脆性断裂的局部法研究

在小范围屈服条件下，断裂韧性的临界值（Ｋｃ、δｃ、Ｊｃ）与试件几何形状无关，能反映材料的固有特性。但在大范围屈服条件下，研究结果表明［１～６］：由于试件几何尺寸所造成的裂纹尖端拘束状态的差异，导致Ｊｃ、δｃ值与试件几何形状相关，如深缺口试件的断裂韧性值比浅缺口试件低，拉伸试件的断裂韧性值较三点弯曲试件高。近来提出了两种研究裂纹尖端拘束状态对断裂韧性影响的方法。一种是用Ｔ—应力或Ｑ参量来定量描述裂纹尖端应力场的Ｊ—Ｔ和Ｊ—Ｑ理论；另一种是基于概率断裂力学的方法——局部法［６、７］，采用考虑裂纹尖端…     

研磨SiCp/Al复合材料微弧氧化膜的有限元仿真研究

SiCp/al复合材料两相性能差异大,研磨缺陷多,通过表面微弧氧化,生成硬脆的陶瓷氧化膜,建立两相延性耦合去除的研磨条件,故基于ABAQUS有限元仿真软件,建立单磨粒研磨SiCp/Al复合材料微弧氧化膜的三维模型并进行仿真实验,得到了陶瓷膜在材料去除过程中的表面应力变化规律,通过改变研磨加工工艺参数,得到不同工艺参数与切削力的关系,仿真结果表明：当其他条件一定时,研磨速度越快,磨粒切削力越小;研磨压力越大,磨粒切削力越大;磨粒越大,磨粒切削力越大。     

微纳米复合陶瓷刀具材料计算机辅助设计和制备

为了解决陶瓷刀具材料半经验法设计中存在的盲目性问题,拟在微观尺度上对陶瓷刀具材料性能进行有限元预测,阐明材料微观结构和宏观性能的定量关系,从而为高寿命刀具设计提供理论依据。本研究采用理论分析、数值模拟和试验相结合的研究手段,基于Voronoi法和随机法建立了考虑陶瓷刀具材料微观结构随机性的参数化模型;结合刀具材料微观结构模型和性能测试试验,进行性能测试过程有限元仿真,求解了刀具抗弯强度、断裂韧性和硬度;初步设计不同参数的刀具微观结构模型,计算其力学性能,以综合性能最优为目标,确定了最佳的微观结构参数,并制备出适合切削超高强度钢的刀具材料。试验结果和设计结果比较吻合,表明提出的陶瓷刀具材料设计方法是可行的。本研究形成的基于性能预测的陶瓷刀具材料微观结构优化设计及制备的基本理论和方法,对于丰富和完善刀具设计理论及提高刀具寿命具有重要的实际意义。