基于分布位错法研究多条微裂纹对偏折主裂纹的影响

目的 采用理论方法求解多条微裂纹对偏折主裂纹的影响,重点分析偏折主裂纹尖端的力学行为及微裂纹对主裂纹扩展角度和闭合区域的影响等问题,为实际的工程应用提供理论依据。方法 运用叠加原理将主问题分解成2个子问题,通过材料力学方法求解子问题一;基于分布位错方法求解子问题二。进一步建立关于位错密度的奇异积分方程,利用Gauss-Chebyshev数值求积分法解决位错密度方程的奇异性问题,并通过计算机编写程序,最终得到相关力学参量的数值解。结果 得到了偏折主裂纹附近的应力场以及微裂纹长度、微裂纹个数对偏折主裂纹尖端应力强度因子的影响等相关力学参量。分析了主裂纹不同偏折角度时的闭合区域,以及微裂纹的方位角、微裂纹个数等对偏折主裂纹扩展角度的影响。结论 裂纹面对拉应力有屏蔽作用,导致拉应力在裂纹面附近应力松弛,而裂纹尖端对拉应力有放大作用,随着应力增加将导致裂纹的扩展。一条微裂纹位于主裂纹尖端约–30°<θ<50°时,将使主裂纹尖端应力强度因子增加,促进主裂纹的扩展,而微裂纹位于50°<θ<90°或–90°<θ<–30°时,将使主裂纹尖端应力强度因子减小,抑制主裂纹的扩展。主裂纹尖端应力强度因子随微裂纹长度的增加而变大,随微裂纹与主裂纹间距离的增加而减小。     

分布位错法研究移动赫兹压力作用下次表面裂纹的力学行为

目的 用理论方法来求解复杂工况下的次表面裂纹问题,并分析裂纹尖端的力学行为。方法 利用叠加原理将主问题分成两个子问题,基于弹性力学集中力的Flamant解求解子问题一,基于分布位错技术求解子问题二。进一步建立关于位错密度的积分方程,利用Gauss-Chebyshev数值求积法求解此奇异积分方程,得到相关的力学参量。结果 得到了裂纹尖端的应力强度因子和靠近上表面裂纹尖端附近产生局部粘着的临界摩擦系数,并分析了裂纹长度、裂纹埋入深度对裂尖应力强度因子及临界摩擦系数的影响。在裂纹埋入深度一定时,两个裂尖的应力强度因子都随裂纹变长而先增加后减小。靠近表面的裂尖更容易发生粘着,裂纹长度越短,裂纹埋入深度越小,越容易粘着。临界摩擦系数随着裂纹长度的增加而缓慢增加,随裂纹埋入深度的增加,近似呈线性增加。结论 在赫兹压力作用下,当裂纹长度较短时,裂纹更容易往内部扩展;而当裂纹较长时,裂纹更容易往表面扩展。     

次表面偏折裂纹尖端力学行为的分布位错理论分析

目的 在复杂载荷作用下,采用理论方法求解半无限大平面内次表面偏折裂纹的力学性质.方法 根据叠加原理把问题分成两部分,其一采用弹性力学,其二采用分布位错原理,并利用Gauess-Chebyshev数值求解法进行求解,二者联合求解力学参量.结果 得到了偏折裂纹在相应偏折角下,不同深度、长度比、载荷比对裂纹尖端应力强度因子(SIF)的影响曲线,并分析在此工况下裂纹的扩展方向.应力强度因子,会随着偏折部分长度的增加而增大,随着裂纹埋置深度的增加而减小,随着裂纹横、剪载荷比的增加而增大.裂纹会沿着顺时针方向扩展并随着偏折角的增大而增大,靠近表面的一侧更容易发生扩展.结论 载荷比、裂纹埋置深度以及长度比较大时,裂纹更容易向表面扩展,从而形成开放裂纹,裂纹沿着顺时针方向扩展,且随偏折角的改变而改变.     

热不匹配应力对热障涂层表面裂纹扩展的影响

本文采用扩展有限元方（XFEM）法研究了高温下热失配应力对热障涂层表面裂纹扩展的影响。结果表明在热失配应力的影响下,表面裂纹的位置、倾斜角度和长度对裂纹扩展的长度、能量释放率和裂尖的应力水平有着显著的影响;对于初始长度相同的裂纹,界面波谷处裂纹扩展长度最长,能量释放率最大;倾斜角度越大,裂纹扩张长度越短,应变能越大;裂纹初始长度越大,裂纹的扩展长度越长且扩展速率越快,能量释放率越大。存在多条表面裂纹的情况下其裂纹扩展相互影响。     

位错和位错偶沿单─滑移系从裂纹尖端的发射

采用计算机模拟了位错和位错偶沿单一滑移系从裂纹尖端的发射,考察了滑移面取向、外加载荷、晶格摩擦力以及位错发射的临界应力强度因子对所发射的位错数量、塑性区与无位错区大小以及裂关残余应力强度因子的影响研究表明,位错从裂纹尖端发射的临界应力强度因子对无位错区的存在和其大小起决定作用,而外加载荷与晶格摩擦力主要影响位错发射的数量以及塑性区大小．在Ｉ型载荷作用下,滑移面与裂纹面的夹角越大,从裂尖发射出的位错数量越多,位错对裂纹的屏蔽效应也越大当裂纹发射位错后的残余应力强度因子仍然较大时,位错偶就有可能在裂纹尖端附近产生井沿着几个滑移面发射,但发射出的位错偶对裂纹没有明显的屏蔽作用在滑移面不垂直于裂纹面时,发射出的位错或位错偶关于裂纹面呈不对称分布     

喷涂层对十字接头焊趾裂纹应力强度因子的影响

利用有限元分析软件ANSYS分别建立了非承载十字接头焊趾裂纹的二维和三维断裂模型,并计算了焊趾裂纹尖端的应力强度因子.分析了等离子喷涂层弹性模量对裂纹尖端应力强度因子的影响,以及裂纹尺寸对裂纹尖端应力强度因子的影响.计算结果表明,等离子喷涂层使焊趾裂纹尖端应力强度因子明显降低.对于确定的裂纹尺寸、形状,裂纹尖端的应力强度因子随涂层弹性模量的增加而降低.当Ec/Ep=0.6,二维模型中a/t=0.125时,喷涂后裂纹尖端应力强度因子降低了62.5%;三维模型中a/t=0.125,a/c=0.2时,喷涂后裂纹尖端的应力强度因子降低了42.6%.     

分布位错法研究钢轨表面边缘直裂纹的力学行为

目的钢轨表面损伤机理较为复杂,因此进行相应的理论研究来探究其力学原理,为实际的工程应用提供理论依据。方法利用叠加原理将主问题分解成两个子问题,通过函数拟合得到轮轨接触力,基于弹性力学集中力的Flamant解求解子问题1,基于分布位错技术求解子问题2。进一步建立了两类关于位错密度的积分方程,利用Gauss-Chebyshev数值求积法解决位错密度的奇异积分方程,得到了相关的力学参量。结果得到了列车在含边缘直裂纹钢轨上运行时的最危险位置,以及张开部分裂纹长度和不同类型裂纹的尖端应力强度因子等。分析了不同轮重大小、列车运行状态(稳态滚动和全滑动)等因素对裂尖应力强度因子及张开裂纹长度的影响,还分析了列车运行中裂纹面的滑移等。结论列车稳态滚动于含初始边缘长裂纹的钢轨表面时,以剪切破坏为主,列车所处最危险位置是裂纹位于接触斑边缘附近;全滑动运行时,裂纹面上的应力大小和方向均会发生改变,导致裂纹面状态(张开或闭合)随之改变,裂纹较短时,钢轨表面容易发生沿深度方向的张开型扩展。     

焊接残余应力对7N01铝合金疲劳裂纹扩展影响

焊接残余应力作为平均应力影响裂纹扩展. 将残余应力与外载平均应力分离,通过构建典型焊接残余应力场,借助扩展有限元计算焊接残余应力场的应力强度因子. 开展了紧凑拉伸（CT）试样的疲劳扩展试验,基于Walker公式将裂纹尖端平均应力强度因子K_m（静态量）和应力强度因子幅值ΔK（动态量）分离,获得疲劳裂纹扩展速率da/dN与K_m及ΔK的非线性关系. 结果表明,不同外载荷下,应力比与裂纹长度为非线性关系;残余应力对裂纹扩展存在尺度效应:CT试样裂纹长度小于2 mm时,残余应力场明显影响疲劳裂纹扩展速率;当裂纹长度大于2 mm,外载荷为主导因素.     

涡轮盘中心孔三维疲劳裂纹扩展分析

基于有限元软件ABAQUS和三维裂纹扩展分析软件Franc3D,对涡轮盘中心孔三维疲劳裂纹扩展进行研究分析。首先,对平板试样表面裂纹进行裂纹扩展模拟计算研究,对比手册中Gross/Brown理论模型验证裂纹扩展应力强度因子数值模拟的准确性;其次,针对涡扇发动机涡轮盘结构,对轮盘不同外缘等效应力、转速情况的应力强度因子以及考虑初始缺陷的三维疲劳裂纹扩展寿命进行计算;最后,讨论发动机载荷差异对应力强度因子和裂纹扩展寿命影响规律。结果表明:在相同裂纹长度时,应力强度因子随着轮盘外缘等效应力和转速增加而增大,载荷越大疲劳寿命则越短,且裂纹越长,影响越大。为工程上三维裂纹扩展计算以及寿命评估提供参考。     

淬火残余应力对铝合金厚板裂纹应力强度因子及扩展趋势的影响

为探究淬火残余应力对铝合金厚板疲劳裂纹扩展的影响规律,建立7075铝合金厚板表面三维裂纹数值仿真模型。采用顺序热力耦合法求解淬火残余应力场,将残余应力场作为初始载荷条件求解裂纹应力强度因子,并与无残余应力场的应力强度因子值进行对比,研究两种条件下应力强度因子的分布规律和两者之间的异同;通过分析在初始淬火残余应力条件下不同半径裂纹受不同均匀拉应力荷载作用时的裂纹应力强度因子随裂纹位置角的演变曲线,探究淬火残余应力对裂纹扩展趋势的影响规律。结果表明,淬火残余应力的存在改变了铝合金厚板应力强度因子的分布规律和裂纹的扩展趋势,淬火残余应力使表层附近的裂纹扩展受到遏止,裂纹易于在厚度方向优先扩展。     

Dislocation-cracks interaction during fatigue: A discrete dislocation dynamics simulation

In this article, the effect of different shape cracks on fatigue behavior in metals is investigated with the help of the discrete dislocation dynamics technique. The cracks are represented as distributions of infinitesimal dislocation loops. The distribution is determined by an integral equation satisfying stress-free boundary conditions and containing a singular kernel of the third type. The stress field in the cracked domain is calculated using a superposition principle coupled with an iterative technique. The derived stress fields describe the interaction between the cracks and the dislocations into the framework of dislocation dynamics. The simulation results provide an insight on the three-dimensional character of the dislocation structure around the cracks and its relation to the crack shapes. The effect of the cracks on the macroscopic yield stress is also determined for various crack sizes and shapes.     

MoSi2/Mo涂层热震过程中界面应力分布和裂纹扩展的有限元模拟

在氢气保护下将MoSi₂/Mo涂层加热至1000 ℃,再迅速冷却至室温进行热震循环,表征了材料在热震循环过程中裂纹的演变过程并评估了MoSi₂/Mo涂层的热冲击行为。采用Abaqus软件计算了MoSi₂/Mo涂层在热冲击过程中的应力分布,讨论了热震循环中裂纹的发展过程。结果表明：Mo基体与MoSi₂涂层之间存在较高的热冲击应力,这将导致裂纹的萌生和扩展。计算结果显示：在最初的10次热震循环中,涂层产生了垂直于界面的裂纹,在界面上没有出现裂纹,涂层与基体仍结合良好;在随后的热震循环中开始出现界面裂纹,界面裂纹开始于垂直裂纹的末端区域,当垂直裂纹与界面裂纹汇聚,会导致涂层剥离和涂层失效。     

单晶Ni_3Al裂纹扩展的TEM原位观察

利用透射电镜（ＴＥＭ）原位拉伸在室温下对（１１０）［１１０］取向 Ｎｉ３ＡＩ合金单晶中裂纹的萌生与扩展进行了研究结果表明：裂纹沿之字形路径扩展且裂纹的总体扩展路径与拉伸轴平行迹线分析表明,首先激活的是（１１１）和（１１１）两个主滑移面上的滑移系;其后在 Ｓｃｈｍｉｄ因子为零的两个滑移面上的滑移系激活．为了解释所观察到的现象而建立了一个位错塞积模型位错应力场的计算表明,塞积位错列所产生的应力场导致了第二滑移系的启动,并使得裂纹扩展路径平行于拉伸轴的方向     

焊接弧坑热裂纹的力学机制分析

应用断裂力学物理量和有限元方法,分析并揭示焊缝弧坑热裂纹开裂力学机理. 通过应力的无量纲化和正交变换,将热—弹塑性有限元分析获得的节点应力等效为应力强度因子计算模型的外载荷,建立了基于应力强度因子参量的焊缝弧坑热裂纹数值分析模型. 计算并比较焊接热应力作用下焊缝含裂纹单元的张开、剪切和撕裂三类应力强度因子,揭示弧坑裂纹断裂机制并断口试验验证. 结果表明,弧坑热裂纹以拉裂模式主导,在热裂纹敏感区间1100~1000 ℃扩展速度最快,且呈“之”字形开裂取向.     

STRESS-INTENSITY FACTORS CALCULATED BY DISLOCATION THEORY

本文用位错理论方法计算应力强度因子。利用Чебышев多项式解积分方程,很容易得到位错密度分布函数■(x)的解。用此法对某些实例的应力强度因子进行了计算,并将结果和断裂力学其它方法作了比较。     

Comments on spread of plasticity from edge crack close to interface of dissimilar metal joint

Abstract

The situation encountered by a crack in a dissimilar metal joint is analysed using a weight function method applied to a Dugdale crack model. The stress intensity factor at an effective crack tip located in the vicinity of the interface can be calculated from the weight function for a constant pressure load system, based on the principle of elastic stress superposition. The effects on the stress intensity factor and the crack tip opening displacement of a hard transitional zone, which is developed near the interface, are discussed.     

镍基合金环境致裂稳态小裂纹裂尖力学场特殊性的研究

裂纹长度是影响裂纹尖端力学特性及裂纹扩展速率的重要因素,但现有环境致裂研究中的裂纹类型主要为长裂纹而忽略了小裂纹。本文采用有限元数值计算的方法,研究高温水环境下具有单边裂纹的镍基合金试样环境致裂过程中小裂纹裂尖力学特征。结果表明小裂纹裂尖具有比长裂纹更高的应力和应变,并使小裂纹具有更高的裂纹扩展趋势。文中给出了计算小裂纹裂尖塑性区尺寸的修正方法,J 积分计算的Irwin修正方法适用于长裂纹,但计算小裂纹条件下的J积分时会产生误差。提出在缺乏成熟理论指导下应采用弹塑性有限元数值计算的方法获取准确的小裂纹裂尖J积分。基于小裂纹与长裂纹裂尖力学特征的明显不同,建议在分析核电结构材料环境致裂时,将裂纹扩展分为小裂纹扩展及长裂纹扩展阶段分别研究。