腐蚀疲劳裂纹的虚拟扩展方法研究

    以紧固孔结构件腐蚀疲劳试验为基础,研究了腐蚀疲劳裂纹虚拟扩展方法即随机过程和AFGROW模拟方法.以试验数据拟合得到的Paris公式为基础,在随机过程方法中考虑了正态随机过程和对数正态随机过程,得到裂纹长度和循环数之间的模拟曲线,给出指定循环数下裂纹长度的概率模型并和实验结果进行了比较.利用AFGROW对腐蚀疲劳裂纹扩展进行了模拟,裂纹扩展模拟曲线与实验值符合较好.     

16Mn钢疲劳短裂纹扩展

用带有盲孔的16Mn钢小圆棒试样进行等幅加载的疲劳试验,研究盲孔边短裂纹的扩展。建立了短裂纹平均扩展速率、裂纹长和名义应力幅的表达式,分析考察了短裂纹扩展的统计规律,讨论了裂纹表面尺寸分布随疲劳循环数的演化情况。     

基于超声相控阵的耐候钢接头疲劳裂纹动态监测

借助超声相控阵技术对耐候钢对接接头开展疲劳失效过程动态监测. 基于超声波探头的信号特征,研究其扇形扫描反射过程,建立实时扫查方案, 并对10 mm厚的耐候钢对接接头实施实时监测.结果表明,当疲劳寿命为5 × 104次时,相控阵检测到多个裂纹从对接接头焊趾部位萌生,并沿着板厚扩展,当疲劳寿命超过3.5 × 105次时,裂纹开始快速扩展. 与疲劳试验断口对比发现,基于相控阵检测得到的裂纹尺寸与试验结果基本一致,验证了相控阵裂纹动态检测的准确性. 根据裂纹深度a、裂纹长度2c与循环次数N关系,明确了裂纹动态演化行为,并获得中厚板耐候钢对接接头表面裂纹的扩展演化规律.     

基于FIP的焊趾短裂纹行为仿真

短裂纹的成核与早期扩展是疲劳裂纹演变过程的重要组成部分,对疲劳裂纹的演变行为和寿命预测具有重要意义. 针对焊趾局部的微观结构短裂纹,以微观敏感的疲劳指标参量为主要驱动力,基于泰森多边形方法构建了焊趾区域的晶粒模型,模拟了微观结构短裂纹的早期演变过程. 通过与试验结果对比,证实了微观敏感的疲劳指标参量及其计算模型的合理性和有效性. 仿真结果表明,疲劳寿命同时受晶粒所在位置、晶粒尺寸和晶粒取向等因素的影响,晶粒取向的随机性对裂纹宏观尺寸的分散性具有重要作用.     

不锈钢管道焊缝金属疲劳短裂纹行为的实验研究Ⅱ.裂纹萌生、扩展与交互作用

基于"有效短裂纹准则",用复型研究了1Crl8Ni9Ti不锈钢管道焊缝金属光滑试样表面的短裂纹萌生、扩展与交互作用行为.结果表明:有效短裂纹(ESFCs)萌生于δ铁素体与奥氏体基体的交界处.ESFCs扩展具有明显微观结构短裂纹(MSC)和物理短裂纹(PSC)两阶段特征.主导有效短裂纹(DESFC)行为是ESFCs交互作用的结果,适于表征短裂纹行为.DESFC扩展率的分散性与ESFCs密度的分散性有关,说明DESFC裂尖前沿扩展条件的差异及其演化是DESFC随机扩展行为的本质原因.这一差异也是材料疲劳寿命和循环应力-应变响应存在分散性的本质原因.     

海洋用结构钢在NaCl溶液中疲劳短裂纹的扩展

本文用海洋平台结构钢A537CL1的单边裂纹样品,在空气和3.5％ NaCl水溶液中进行了腐蚀疲劳短裂纹扩展实验,比较不同裂纹长度及环境介质对疲劳短裂纹扩展行为的影响。结果表明,在门槛值附近,对于相同的应力强度因子范围,短裂纹扩展速率比长裂纹扩展快。短裂纹扩展的门槛值随裂纹长度的减小而减小。与空气介质相比较,盐水对疲劳短裂纹扩展加速的程度远大于长裂纹。     

考虑焊缝和母材不同材料特性的焊接平板疲劳裂纹扩展行为模拟

为准确描述焊接结构的疲劳裂纹扩展行为，基于Abaqus、Zencrack及相应子程序建立了考虑材料不连续的疲劳裂纹扩展模拟方法.对于初始埋藏裂纹位于焊缝区的平板焊接结构，考虑焊缝和母材不同强度匹配，进行疲劳裂纹扩展模拟，研究了不同强度匹配对焊接结构疲劳裂纹扩展寿命和扩展特性的影响.研究结果表明，当裂纹前缘由焊缝跨越至母材区域时，焊缝和母材区域的应力强度因子计算结果出现明显变化，并随着裂纹尺寸的逐渐加大，两者差异越大.随着焊缝材料裂纹扩展参数逐渐增大，母材区域的裂纹扩展相对速率逐渐变慢，裂纹形状逐渐由圆形向扁平状椭圆形过渡；相反地，母材区域的裂纹扩展相对速率逐渐变快，裂纹形状逐渐由圆形向椭圆形过渡.文中的模拟方法有望为准确预测焊接结构的跨材料裂纹扩展行为提供有效途径.     

喷丸强化残余应力对AISI304不锈钢疲劳裂纹扩展行为的影响

目的 探究喷丸强化残余压应力对AISI 304不锈钢疲劳裂纹扩展行为的影响规律.方法 建立并联合紧凑拉伸(CT)试样三维有限元模型和对称胞元喷丸有限元模型,发展一套多步骤数值模拟方法.首先,建立AISI 304不锈钢CT试样的三维有限元模型,模拟不同外加交变载荷工况下的疲劳裂纹扩展过程.基于线弹性断裂力学理论,利用裂纹闭合技术,计算不同裂纹长度对应的应力强度因子范围,采用修正的Paris公式计算疲劳裂纹扩展速率,并通过试验数据对计算结果进行考核.其次,建立多弹丸分层逐次冲击靶面的对称胞元喷丸有限元模型,模拟100％和200％喷丸覆盖率下的残余应力场,并通过试验数据对该对称胞元喷丸有限元模型的有效性进行验证.最后,将喷丸强化诱导的残余应力场以读写外部文件的方式导入CT试样三维有限元模型,模拟在内部残余应力场和外部交变载荷共同作用下的疲劳裂纹扩展行为.结果 对于相同的喷丸工况,保持外加载荷比不变而减小最大外加载荷,或者保持最大外加载荷不变而减小外加载荷比,喷丸强化诱导的残余压应力对疲劳裂纹扩展的抑制作用愈加显著.对于相同的外加载荷工况,200％喷丸覆盖率工况比100％喷丸覆盖率工况更能有效降低AISI 304不锈钢的疲劳裂纹扩展速率.结论 喷丸强化诱导的残余压应力场能够有效抑制AISI 304不锈钢的疲劳裂纹扩展.     

考虑形状比的焊趾裂纹扩展行为的数值仿真分析

针对焊趾处初始裂纹的不同形状比,基于NASGRO裂纹扩展速率模型对裂纹扩展过程进行了数值仿真. 以具有不同形状比的半椭圆表征焊趾表面裂纹,考虑短裂纹扩展阶段,采用M积分计算整个裂纹前沿的应力强度因子,并将裂纹前沿应力强度因子中值点作为裂纹扩展的主要控制参量,模拟并分析了不同形状比条件下裂纹前沿的形状演变和应力强度因子的分布及变化特点. 结果表明,随着裂纹的扩展,短裂纹阶段的不同形状比变化将趋于一致;短裂纹的形状比对早期裂纹扩展有较大影响,并最终导致整体疲劳寿命的显著差异性;综合初始形状比对裂纹前沿应力强度因子、扩展形状以及疲劳寿命的影响,可将其作用效果的强弱拐点作为界定短裂纹与长裂纹的有效参考. 开展了十字焊接接头疲劳验证试验,试验结果与仿真结果具有较好的一致性.     

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 本文通过对35SiMnMoV复相钢的常温疲劳试验研究和GH4049镍基高温合金的高温疲劳试验研究,获得了大量的试验数据和得出了相应的裂纹扩展行为规律。结合中外文献对疲劳短裂纹的研究结果,在试验结论和理论知识的基础上,根据疲劳短裂纹扩展速率与微观参量之间的关系,并初步探索建立了用微观参量来表达的短裂纹扩展速率表达式的模型     

基于动态贝叶斯网络的海底管道点蚀疲劳损伤失效模型研究

目的研究海底管道在点腐蚀和腐蚀疲劳双重影响下的整个破坏过程,基于动态贝叶斯网络构建系统失效模型,对海底管道系统不同疲劳寿命下的失效概率进行预测。方法将点蚀疲劳损伤过程分为腐蚀点成核、腐蚀坑增长、短裂纹扩展和长裂纹扩展四个阶段,采用蒙特卡洛模拟方法对腐蚀点形成到短裂纹发生前的管道破坏过程进行分析,结合疲劳裂纹扩展的动态贝叶斯网络结构图,在充分考虑相关影响因素不确定性的基础上,为海底点蚀管道系统提出一种创新性的概率分析方法,对点蚀管道疲劳寿命的失效概率进行科学预测。结果结合实例分析,通过蒙特卡洛模拟方法,求解得出腐蚀坑增长转变为短裂纹扩展状态的临界裂纹尺寸为0.8mm。采用动态贝叶斯网络分析方法,对未经受维修保养的点蚀管道进行疲劳寿命预测,当管道运行到第35年时将会面临失效风险。结论所构建的模型可以对海底点蚀管道腐蚀疲劳寿命失效概率进行合理预测,通过观测相关影响参数的变化,及时更新预测结果,有助于为海底管道系统制定有效的维修策略。     

BEHAVIOUR OF INITIATION AND GROWTH OF SHORT FATIGUE CRACKS

ＢＥＨＡＶＩＯＵＲＯＦＩＮＩＴＩＡＴＩＯＮＡＮＤＧＲＯＷＴＨＯＦＳＨＯＲＴＦＡＴＩＧＵＥＣＲＡＣＫＳＷＵＺｈｉｘｕｅ;ＸＵＨａｏ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ,ＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ,Ｓｈｅｎ...     

微连接接头在热疲劳过程中的破坏规律

同时采用电阻测量方法和疲劳裂纹观测方法分析表面贴装结构焊点的热疲劳破坏过程.通过研究焊点在热疲劳过程中的电阻值变化和热疲劳裂纹的扩展过程,来比较传统锡铅钎料焊点和无铅钎料SAC305焊点的热疲劳破坏规律.并结合有限元分析,研究焊点在热疲劳过程中的电阻值变化与裂纹扩展之间的关系,从而获得一种工程上较为实用的焊点热疲劳失效的电阻值经验判据.结果表明,SAC305无铅钎料焊点相对于传统锡铅钎料焊点而言,具有较为优异的抗热疲劳性能.根据试验研究和有限元分析结果建立了焊点在热疲劳过程中发生失效的电阻值经验判据.

Abstract：

The failure process of soldered joint in SMT was investigated by electrical resistance measurement method and crack observation method. The characteristics of electrical resistance value variation of lead-tin and lead-free soldered (SA(305) joints during the thermal fatigue test were obtained. And at the same time the crack propagation in soldered joint was observed. According to these measurements, the failure roles of lead-tin and lead-free soldered joint were compared. The relationship between electrical resistance value variation and crack propagation of soldered joint during thermal fatigue test was studied by FEM, and an empirical criterion to estimate the failure of the soldered joint in the thermal fatigue test was obtained based on electrical resistance value variation. The experimental results show that the lead-free soldered joint has a higher resistibility in therrnal fatigue than the traditional lead-tin soldered joint. The criterion based on electrical resistance value variation was founded from the experimental and simulation results.     

考虑多裂纹的焊趾裂纹扩展行为的数值仿真分析

针对焊趾处存在多裂纹的情况,对多裂纹扩展过程进行了数值仿真.考虑短裂纹扩展阶段,采用M积分计算整个裂纹前沿的应力强度因子,模拟并分析了不同初始表面裂纹间距条件下,该因素对裂纹前沿融合前后的扩展行为的具体影响.结果表明,裂纹间距的不同将直接导致其对整个裂纹前沿前后的应力强度因子的影响的差异;受初始裂纹间距的影响,裂纹前沿断口形貌呈现不同形状;可将相对裂纹间距L/a=1分界拐点作为后续工程研究的有效参考.后续进行了十字焊接接头疲劳验证试验,对仿真结果取得了较好的验证.     

锻造工艺对TC4-DT和TC21损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响

研究了不同锻造工艺（近β锻造、准β锻造、两相区锻造）对TC4-DT和TC21损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响,对比分析了不同锻造工艺的微观组织和疲劳裂纹扩展路径的关系。研究结果表明,与两相区锻造和近β锻造相比,TC4-DT和TC21钛合金经准β锻造后的疲劳裂纹扩展速率最低。准β锻造的锻件疲劳裂纹扩展路径曲折程度大,断口表面粗糙度大,有效地降低了疲劳裂纹扩展速率。     

T形接头承载角焊缝根部裂纹扩展角度

针对Q355B低合金钢T形接头承载角焊缝根部疲劳失效的扩展路径问题,提出了一种基于受力分析计算的等效应力强度因子法(KEQ法)预测根部裂纹的扩展角度. 经有限元模拟验证,其求解应力强度因子的最大误差小于5%. 与基于有限元分析计算的最大周向应力法(MCS法)和有效结构应力法(ETS法)相比较,并结合3种不同应力水平下弯曲疲劳试验结果发现,基于等效应力强度因子法、最大周向应力法与有效结构应力法求解的裂纹扩展角度分别为25.6°,25.9°和32.2°,相较于实际疲劳试验的根部裂纹扩展角度24°,误差分别为6.67%,7.92%和34.17%. 结果表明,基于KEQ法求解裂纹扩展角度准确度最高,更适于预测承受弯曲疲劳载荷下T形接头角焊缝根部裂纹的扩展角度.     

Transition of crack propagation from a transgranular to an intergranular path in an overaged Al-Zn-Mg-Cu alloy during cyclic loading

The fatigue crack propagation behavior in the overaged Al-Zn-Mg-Cu alloy was characterized by optical microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and electron backscatter diffraction. The results revealed that a fatigue crack tended to transgranularly propagate in the near-threshold regime, whereas intergranular crack propagation was dominant at the high ΔK regime. The transition of crack propagation from a transgranular to an intergranular path that occurred in the Paris regime was strongly influenced by the misorientation of adjacent grains and precipitate free zones. In addition, a crystallographic model of crack propagation was proposed to interpret the transition. The fatigue short crack propagation on a single slip plane was responsible for the formation of a transgranular propagation path in the near-threshold regime. The fatigue long crack propagation, which was conducted by a duplex slip mechanism in the Paris regime, led to the formation of fatigue striations. The formation of a zigzag crack in the near-threshold regime was ascribed to the high misorientation of adjacent grains.