裂纹端约束效应与18G2A钢JR曲线可转移性

采用有限元和J—A2方法对18G2A钢进行弹塑性断裂分析。通过引入一修正因子使J—A2的控制区进一步扩大，得到的结果与有限元分析结果相当吻合。在计算各单边缺口弯曲试件裂纹端的应力场后，得到了不同深浅裂纹的约束参数A2。同时，为了将实验得到的18G2A钢的JR曲线应用于实际裂纹构件，建立了JR曲线与约束参数A2之间的关系，给出了与约束参数A2相关的JR曲线族的表达式。由此预测的JR曲线与实验数据吻合较好，具有较好的工程应用价值。     

共线裂纹弹塑性双参数断裂分析

用弹塑性双参数断裂理论分析共线双裂纹之间的干涉效应.计算不同裂纹尺寸与不同裂纹间距情况下主裂纹断裂驱动力J积分和约束参数A2.结果表明,随着载荷的增加,次裂纹对主裂纹的弹塑性干涉效应明显大于线弹性干涉效应,并且干涉效应随着裂纹间距的减小或次裂纹长度的增加而相应增大.当载荷比较大时,次裂纹的存在对主裂纹尖端的约束水平也有影响,裂纹尖端约束水平随着裂纹间距的减小或次裂纹长度的增加而相应增大.在采用工程简化方法对多裂纹问题进行断裂评定时,应该考虑次裂纹对主裂纹.J积分和约束水平的影响.     

试件和内压管道裂纹端约束效应的相关性分析

为使实验得到的结果更好地应用于估测内压管道的断裂,选取X80钢试件的一些几何体和载荷配置,在J-A2方法的基础上,用平面应变及非线性分析,对不同形式和尺寸的断裂试件裂纹端的约束效应进行数值计算,得到各种试件的J-A2曲线.结果表明,单边缺口拉伸试件的约束参数A2对载荷水平J不是很敏感.而单边缺口弯曲和紧凑拉伸试件由于弯曲应力的影响,A2值随J有一定的变化.具有相同裂纹深度的单边缺口拉伸试件与内压管道的J-A2和a/W-A2曲线相关性较好.最后,应用单边缺口拉伸试件的实验曲线和管道的有限元数值结果,对有裂纹管道进行断裂预测.     

BP神经网络在弹塑性断裂分析中的应用

应用J—A2双参数弹塑性理论和有限元分析,对裂纹尖端应力场进行弹塑性断裂分析,研究预测裂纹尖端J积分和约束参数A2的BP(back propagation)神经网络算法。选取裂纹几何参数和载荷等作为影响J—A2双参数的因素,用有限元仿真试验产生神经网络的学习样本,用Levenberg-Marquardt算法,设计神经网络流程。仿真试验表明,提出的预测方法是有效的,神经网络可以较好地模拟裂纹几何参数、载荷和J积分、约束参数A2之间的非线性关系。     

球墨铸铁断裂韧度测试技术研究进展

断裂韧度是材料重要的抗断指标.总结了平面应变断裂韧度、弹塑性断裂韧度、裂纹尖端张开位移和动态断裂韧度测试技术的研究概况及在球墨铸铁材料上的应用,介绍了温度、显微组织、试样尺寸对球墨铸铁断裂韧度的影响规律,探讨了球墨铸铁断裂韧度试样中的裂纹长度测试问题,介绍了基于J-Q(J积分-三轴性应力因子)理论的球墨铸铁断裂韧度测试方法;认为基于J-Q理论的多参数断裂韧度测试是未来研究的重点,并且若要使断裂韧度真正用于工程安全评定,必须在测试时综合考虑实际服役时的加载模式及环境.     

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。     

含扩展裂纹板计及厚度效应的载荷—位移曲线解析闭合解

准确预测长寿命结构在其服役期内的剩余强度,是当前结构设计工程师面临的一个重大课题。而裂纹扩展过程中,精确的载荷—位移曲线将为这一问题的突破提供一种非常高效的方法。为此,在考虑厚度效应的断裂韧度与阻力曲线理论基础上,对含穿透裂纹板在裂纹扩展过程中的载—荷位移曲线进行理论与试验研究。用卡氏定理导出含驻止裂纹试件承受载荷作用时,外部载荷与试件中点挠度的关系表达式。引入计及厚度效应的断裂韧度与阻力曲线理论,导出裂纹扩展时试件中点处载—荷位移曲线的解析闭合解。进行准静载单调加载下的裂纹扩展试验。所得数据与由载荷—位移曲线解析闭合解得到的计算结果基本吻合,充分验证该解析闭合解的有效性。     

裂纹尖端钝化对CT试样力学性能影响的试验研究

通过平面断裂韧度实验对紧凑拉伸(CT)试样的力学性能进行研究,分析了尖裂纹和钝裂纹试样的断裂形貌特征,并定量分析了裂纹尖端钝化对力学性能的影响.实验结果表明,尖裂纹计算得出的断裂韧度值、最大断裂值、塑性分量和最大位移量都小于钝裂纹对应的数值,裂纹尖端形成的钝化区有利于抑制裂纹扩展,提高了抵抗断裂的能力,能够达到止裂的目的.随着裂纹尖端曲率半径的不断增加,存在最佳钝裂纹曲率半径.当曲率半径超过其值,刚度出现轻微退化,塑性分量在外加载荷输入能量中所占的比重越来越大,断裂韧度提升明显,增强了试样的承载能力.研究结果可为定量评价裂纹尖端钝化对力学性能的影响提供科学依据.     

材料断裂韧度测试中的厚度效应

在以往的材料断裂韧度测试中，只考虑了对平面应变状态下试件厚度的限制（Ｂ≥２．５（ＫＩＣ／σＳ）２）；而对于非平面应变状态下材料断裂韧度测试中均没有考虑试件厚度的限制。本文从与厚度效应密切相关的应力三轴约束入手，导出了与应力三轴约束ＴＺ相关的裂纹扩展能量释效率Ｇ的表达式，进而得出了相应的测试材料断裂韧度的修正Ｒ曲线法。最后结合３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢断裂韧度的实测结果校验了理论分析结果。     

一个双参数断裂准则

双参数断裂准则建立在下述原理基础上,沿裂纹尖端初始弹-塑性边界计算的弹性应变能密度的最大值达到光滑试样单轴拉伸时的特征断裂能的弹性部分时,裂纹起始失稳扩展发生。于是,裂纹失稳扩展不仅取决于材料的断裂韧度K_(IC),还因为考虑了断裂前裂纹尖端的非弹性变形,裂纹失稳扩展还与参数ω有关,ω是材料的断裂应力与屈服应力之比。因此,双参数断裂准则不但适用于脆性断裂,还可用于伴有局部塑性变形的准脆性断裂。     

Crack-tip constraints of through-wall cracked pipes and its similarity to curved wide plates

In the present study, the effects of pipe geometries, material properties and loading conditions on crack-tip constraints of pipes with circumferential Through-wall crack (TWC) were investigated via systematic 3-dimensional (3-D) Finite element (FE) analyses. The crack-tip constraints were quantified by Q-stress, and to characterize the elastic-plastic strain hardening material behavior, Ramberg-Osgood (R-O) material was employed. Based on the FE results, it was observed that crack-tip constraints of pipes with TWC were dependent on crack length and thickness of pipe, however, the effects of each variables decreased as either thickness of pipe becomes thinner or crack length becomes longer. Moreover, the effects loading modes on Q-stresses for thin-walled pipes with TWC are negligible. Finally, the present Q-stresses of pipes were compared with those of Curved wide plate (CWP) in tension to address the similarity of crack-tip constraints between pipe and CWP, which could be used to produce the CWP to measure the fracture toughness of pipes accurately.     

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。     

Effect of strength mismatch on fully plastic fields in dissimilar joints under combined loading

Via detailed finite clement limit analyses, plastic limit loads, rotation factors, and crack-tip stress field are investigated for a combined tension and bending of a plance strain single-edge-cracked bimaterial specimen. Limiting bimaterial specimens are considered, consisting of an clastic/perfectly plastic material bonded to an elastic material having the same elastic properties. The limit loads of bimaterial specimens are shown to be very close to those of homogeneous specimens, so that limit load information for homogeneous specimens can be used even for bimaterial specimens. A tractable, approximate elliptical yield locus is proposed, which first the FE. results within 1% for all ranges of tension-to-bending ratios. The plastic rotation factor of bimaterial specimens can be higher than that of homogeneous specimens as much as 25%, when the specimen is subject to small tensile forces. Results from the present analysis is applied to the analysis of typical fracture testing specimens such as compact tension specimens. For both homogeneous and bimaterial specimens, larger tensile forces are associated with substantial loss of crack-tip constrait. Bimaterial specimens have as much as 2 times higher constraint than homogenous specimens, due to plastic strength mismatch. Tractable closed form approximations for crack-tip stresses are proposed in terms of tension-to-bending ratio.     

Crack-tip field characterization of crack-tip opening angle-based crack growth — plane strain single-edge cracked specimen subject to pure extension

The objective of this work is to study the crack-tip field of plane strain fully plastic crack growth of a single-edge cracked specimen subject to pure extension. The nodal release technique [1] was implemented into an FEM model so that the nodes arranged in the crack path are released. The fracture criterion for the crack growth in the model adopts the loading geometry-based crack-tip opening angle-(CTOA) proposed in the work of Ref. [2]. The crack-tip field from the CTOA-based crack growth was investigated and characterized with a slip line field. It was observed that the backface configuration of the specimen, which evolves with the crack growth, is engaged in the formation of the shear band and, as a result, significantly elevates the triaxiality at the crack-tip during the crack growth.     

2(2-UPR+SPR)串并联机构雅可比矩阵的建立

建立了一种新型串并联机构的雅可比矩阵。首先,介绍了一种新型的2(2-UPR+SPR)串并联机构,该机构由两个2-UPR+SPR机构串联而成,它具有串联机构和并联机构的共同优点。然后,根据2-UPR+SPR机构中存在的几何约束建立了其速度约束矩阵和速度耦合矩阵。最后,分析了2(2-UPR+SPR)串并联机构的速度传递关系,通过合理处理独立并联机构的速度耦合和约束关系,建立了2(2-UPR+SPR)串并联机构整体正向和逆向雅可比矩阵。研究结果表明,2(2-UPR+SPR)机构的雅可比矩阵包含各个独立并联机构的运动、约束和耦合信息。所提出的建立2(2-UPR+SPR)机构雅可比矩阵的方法也适合其他串并联机构。     

脆性基体复合材料裂尖邻域夹杂-基体界面脱粘发展的数值模拟

夹杂-基体界面脱粘是脆性基体复合材料在拉伸载荷下的主要损伤机制之一.同时,材料内部裂纹尖端附近区域因应力集中,往往具有相对较高的损伤可能性.文中提出一种以一类包含"非均匀相"的解析胞元为基础的数值方法,以考察脆性基体复合材料内部裂尖临域夹杂脱粘的发展以及此过程中应力强度因子的变化.该方法分别应用含夹杂与含裂尖的解析胞元,以精确描述夹杂-基体界面与裂纹尖端附近的高梯度场函数,并利用Weibull概率函数控制加载过程中夹杂脱粘的发生.应用此方法可方便地建立复合材料内部裂尖附近细观结构的有限元模型,预测各夹杂依次发生脱粘的过程,并获得夹杂脱粘概率与裂纹场应力强度因子随载荷的发展规律.根据模拟结果,详细讨论材料各方面性质对于裂尖附近区域力学行为的影响.     

多目标遗传算法在整车轻量化优化设计中的应用研究

采用D－最优试验设计方法对汽车前部关键吸能部件的材料和板料厚度进行多参数空间的样本数据设计;为提高计算效率,将能够代表整车正面碰撞过程的高精度多参数近似模型引入到整车轻量化优化设计中,并利用多目标遗传算法对近似模型进行优化,使得车身前部吸能部件的板料厚度和材料得到合理配置,同时也使得整车质量和B柱加速度尽可能最小。在车辆安全性满足CMVDR294安全法规的同时,也在一定程度上减小了整车的质量。     

A combined environmental straining specimen holder for high-voltage electron microscopy

A novel specimen holder that enables in situ observation of crack-tip deformation and/or fracture under a controlled environment is developed for a high-voltage electron microscope (HVEM). A window-type environmental cell (EC) that incorporates a uniaxial straining apparatus is built into a side-entry-type single-tilt specimen holder. The gas control in EC, straining apparatus design, limited field of view for crack-tip observation, and specimen preparation for the specimen holder are presented in detail. Experimental results successfully demonstrate that the developed specimen holder is quite useful for the dynamic observation of crack-tip deformation and/or fracture subjected to a hostile environment, such as hydrogen gas.