基于三维有限元模拟高钢级管线钢断裂过程中的裂纹尖端张开角

高压、富气的输送管道需要管道钢裂纹尖端张开角（CTOA）的测试方法。采用三维有限元方法模拟了高钢级CTOA试件的断裂扩展过程。（CTOA）c的有限元计算值与试验实测值的偏差为10.38%~17.5%,且管线钢的（CTOA）c随试件厚度的增加而增大,并呈线性关系。基于对有限元计算结果的分析,拟合得到了管线钢（CTOA）c的预测公式。     

X80管线钢裂纹尖端张开角的试验研究

高压富气输送管道要求发展管道钢的裂纹尖端张开角（CTOA）的测试方法。采用准静态的撕裂过程和长裂纹扩展长度试件,进行了X80管道钢的裂纹扩展试验,用摄像机跟踪拍摄裂纹扩展全过程,从照片上直接测量出裂纹扩展全过程的CTOA值,分析了裂纹扩展中的断裂力学行为。结果表明：试件的韧带厚度越小,越容易获得稳定的扩展过程,且稳态裂纹扩展的CTOA值随试件韧带厚度的增加而增大,韧带太厚的试件不易得到稳态扩展过程。韧带厚度为4,8 mm试件的稳态的裂纹扩展阶段分别为7.8°1,2.8°,裂纹扩展长度与韧带厚度比在5～252,～10之间。     

在冷轧过程下XFEM对带钢边部裂纹扩展预测的应用

在冷轧过程中,带钢边部容易发生裂纹扩展,严重会造成断带事故,所以预测带钢边部裂纹扩展从而避免断带能够提升生产效率以及产品最终质量,因此,预测方法极为重要。本次研究运用扩展有限元(Extended finite element method,XFEM)模型对边部含有预置缺陷的带钢在冷轧过程中裂纹扩展行为进行预测,采用弹塑性有限元模拟和薄板拉伸试验混合技术以及多试样法断裂韧度试验确定最大主应力准则两个参数,并验证了参数的准确性。采用有限元模拟与冷轧试验对比,通过改变轧制参数,证明XFEM模型对边部含有预置缺陷的带钢在冷轧过程中裂纹扩展行为有很好的预测能力。本次研究还模拟分析压下率以及前、后张力对冷轧过程带钢边部裂纹扩展的影响,结果表明前张力影响效果更明显,同时,压下率越大,裂纹张开位移和裂纹扩展越明显。     

脆性材料裂纹扩展的有限元模拟新算法

基于有限元方法的一般原理,利用三角形网格较好的方向适应性,采用刚度退化方法,选取最大拉应力准则作为失效准则,确定候选失效单元,并根据材料的断裂特点,按照本文提出的最大显著准则从中择取失效单元,从而模拟了脆性材料单裂纹在拉伸载荷作用下的扩展路径,同时也分析了网格尺寸对裂纹扩展模拟的影响。该算法不仅避免了网格重构所需计算量,同时也极大地减少了总体刚度矩阵生成的工作量。数值试验结果表明,该方法能较准确地预测裂纹扩展路径。     

高强钢断裂韧性与疲劳裂纹扩展评价方法研究进展

高强钢在服役过程中长期经受循环载荷作用，其疲劳与断裂问题一直是热点研究方向。准确评估高强钢的疲劳寿命和监测高强钢构件的服役状态，是保证大型装备安全运行的关键。随着断裂力学发展，损伤容限设计已成为航空、航天、核电和高速铁路等重要工业领域的关键构件疲劳断裂控制方法。作为损伤容限设计中的关键力学参量，准确掌握断裂韧性和疲劳裂纹扩展的评价方法，能够对解决大型构件完整性和可靠性研究的瓶颈问题中起到承上启下的作用。首先概述高强钢的分类和失效问题，分析断裂韧性和疲劳裂纹扩展的表征形式。从尺寸效应和能量准则等方面系统阐述了小试样估算断裂韧性的方法，并探讨高强钢中拉伸性能、冲击韧性与断裂韧性的定量关系研究进展。从近门槛值区、稳态区和全阶段区域分别阐述疲劳裂纹扩展模型和方法，并重点介绍贴近实际工程应用中的应力比和尺寸效应两方面的研究进展。最后提出高强钢断裂韧性和疲劳裂纹扩展评估及测试技术研究中值得关注的若干问题。     

金属塑性成形过程延性断裂的准则及其数值模拟

介绍了一些对金属延性断裂进行判断的准则,包括基于试验的经验性准则以及连续损伤力学方法建立的准则.在金属塑性成形的大变形有限元分析过程中,将会对断裂裂纹的生成及扩展进行模拟,介绍使用单元删除、单元分裂以及单元分离技术来处理出现裂纹后的工件网格,就齿圈压板精密冲裁、切削加工中切屑成形以及冷挤压等复杂工艺过程的断裂现象进行了模拟研究.     

管道钢断裂韧性尺寸效应的研究

断裂韧性作为评估管道结构完整性的一个重要参数,对其进行尺寸效应研究具有重要的科学意义和工程价值。当前对金属材料断裂韧性尺寸效应的研究主要集中于线弹性断裂参数应力强度因子K,且大多仅考虑试件厚度的影响。为建立试件尺寸对高强度高韧性管道钢材料断裂韧性的系统影响规律,基于Gurson-Tvergaard-Needelman (GTN)模型对单边切口梁(SENB)试件三维断裂过程进行模拟,选用裂纹尖端张开位移(CTOD)与裂纹尖端张开角(CTOA)对其断裂韧性进行表征,分析两者沿试件厚度的分布规律,并研究裂纹深度与试件厚度对其影响。同时选取应力三轴度对试件约束水平进行评估,以此解释断裂韧性尺寸效应存在的原因。研究结果表明:断裂韧性在试件厚度方向一定范围内基本保持不变,在自由表面处取得最大值;裂纹深度对断裂韧性几乎没有影响,而试件厚度越大,断裂韧性越低,且临界CTOA比临界CTOD更能反映断裂韧性的变化规律。     

无铅微焊点界面断裂行为的尺寸效应

采用有限元模拟和试验方法研究不同尺寸的"铜引线/钎料/铜引线"对接结构微焊点在准静态微拉伸载荷下的断裂行为,以及电迁移与热时效作用对其断裂性能的影响.结果表明,随着微焊点高度的减小,焊点中界面裂纹扩展驱动力逐渐减小,抗断裂性能有所提高;界面裂纹尖端剪切型裂纹扩展驱动力KⅡ值明显高于张开型裂纹扩展驱动力KⅠ值;Sn-Ag-Cu无铅钎料微焊点中界面裂纹的应力强度因子KⅡ和KⅠ远低于Sn-Pb钎料微焊点,其抗断裂能力要明显优于后者.模拟结果还表明,电迁移极性效应导致的金属间化合物增厚对微焊点断裂性能影响不大,而焊点边缘微空洞的横向薄饼状扩展导致界面应力集中系数显著上升,最大Von Mises等效应力点位于金属间化合物/铜界面处;微焊点在热时效过程中两侧界面金属间化合物层厚度的增加使界面裂纹尖端的应力水平近似呈指数函数衰减.     

Ⅰ—Ⅱ复合型裂纹断裂机理与断裂准则的研究

本文采用四点弯曲试件考察了常用韧性材料16MnR钢中Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的断裂机理。实验测定了裂纹扩展方向和裂纹尖端位移参量的启裂值；与此同时，采用有限元程序计算了试件中复合型裂纹尖端邻域的应力、应变场，分析了各种控制空洞成核的力学参量的几何分布曲线，结合实验研究和有限元分析表明，Ⅰ-Ⅱ复合型断裂存在两种不同的断裂机理，它们的发生取决于Ⅰ-Ⅱ复合型载荷比的大小，当Ⅱ型载荷分量小于一临界值时、断裂为张开型．裂纹扩展方向与本文的бm峰值线准则一致；而当Ⅱ型载荷分量大于此临界值时，断裂表现为不稳定的剪切型断裂。     

动态载荷下冷镦钢裂纹扩展仿真算法研究北大核心

针对冷镦钢紧固件在动态载荷下由裂纹萌生与扩展引起的断裂失效行为,分别采用Newmark隐式与中心差分显式算法,通过施加边界条件,以非线性有限元动态分析技术建立冷镦钢试样拉伸模型,结合准静态拉伸实验,研究Newmark法与中心差分法在冷镦钢动态加载过程中裂纹扩展模拟的不同,获得了两种算法下冷镦钢裂纹扩展特征。最后将研究结果应用到某汽车座椅滑轨紧固件动态斜拉破坏实验分析中。经仿真分析和试验验证,中心差分显式算法具有良好的裂纹扩展模拟效果,能够较为真实地模拟裂纹扩展实际情况,对实际工程应用具有参考意义。     

动态载荷下冷镦钢裂纹扩展仿真算法研究

针对冷镦钢紧固件在动态载荷下由裂纹萌生与扩展引起的断裂失效行为,分别采用Newmark隐式与中心差分显式算法,通过施加边界条件,以非线性有限元动态分析技术建立冷镦钢试样拉伸模型,结合准静态拉伸实验,研究Newmark法与中心差分法在冷镦钢动态加载过程中裂纹扩展模拟的不同,获得了两种算法下冷镦钢裂纹扩展特征。最后将研究结果应用到某汽车座椅滑轨紧固件动态斜拉破坏实验分析中。经仿真分析和试验验证,中心差分显式算法具有良好的裂纹扩展模拟效果,能够较为真实地模拟裂纹扩展实际情况,对实际工程应用具有参考意义。     

基于数字图像方法的裂纹扩展阻力自动化测量技术

在对金属材料断裂韧性各种测试方法进行系统分析的基础上,研究了基于数字图像方法的稳定裂纹扩展阻力自动化测量技术,搭建了一套基于CCD数字相机的稳定裂纹扩展测量硬件系统,并开发了软件处理系统,介绍了判断金属材料断裂性能的裂纹尖端张开角(CTOA)的测量方法和试验步骤.     

一种用于航空发动机热端部件三维裂纹行为分析的数值方法

裂纹在航空发动机热端部件服役过程中不可避免,裂纹行为的准确预测对于服役安全和寿命管理具有重要意义,针对热端部件上三维裂纹行为特征的研究有着巨大需求。面向航空发动机热端部件结构,对复杂几何和应力状态下的三维裂纹的理论从数值应用方面进行了系统总结,并对数值分析中应用的关键技术进行了研究。通过对各型裂纹应力强度因子分量的求解,并选择恰当的裂纹扩展方向准则,实现了复杂的三维复合型裂纹行为的模拟。裂纹尖端单元类型的选取将会影响计算结果的精度,通过对奇异性单元特征尺寸的控制保证了三维裂纹参量求解的准确性。为了获取模拟过程中裂纹前沿曲线的演化,应用"逐个点"的节点增量法作为更新策略重构裂纹前沿,同时裂纹尖端的三层单元环结构的使用保证了网格的稳定更新。通过对比表面裂纹的解析法和数值计算结果,验证了该方法对裂纹驱动力参量的求解精度。最后以高压涡轮叶片为实例,通过数值模拟计算得到了涡轮叶片不同位置裂纹扩展的规律。     

复合材料裂纹扩展的数值分析方法

随着计算机技术的高速发展,利用计算机对复合材料裂纹扩展进行数值分析已广泛使用。但是,复合材料的裂纹扩展是综合多尺度与多重失效模式耦合的强非线性模式,在进行复合材料裂纹扩展数值分析过程中会遇到运算失稳和不收敛等诸多问题。为此,学者们提出了许多数值分析方法来模拟复合材料的任意裂纹扩展,例如内聚力数值分析法、扩展有限元数值分析法、虚拟节点数值分析法、增强有限元数值分析法等,复合材料裂纹扩展已成为计算分析领域一个十分重要的研究方向。     

2219铝合金搅拌摩擦焊接头的裂纹扩展行为

为研究2219铝合金搅拌摩擦焊接头的裂纹扩展行为,首先对搅拌摩擦焊接头进行常规拉伸试验和裂纹延性扩展试验,分析了接头各区的P-V曲线和不同裂纹扩展长度下的裂纹尖端张开角(CTOA),讨论了裂纹扩展抗力以及裂纹扩展的方向。结果表明:在试验条件下,接头各区的抗裂纹扩展能力均高于母材的,焊缝中心、前进侧和回退侧热机影响区的抗裂纹扩展能力无显著差异;接头组织和力学性能的不均匀使裂纹扩展方向具有不稳定性,前进侧热机影响区的裂纹在扩展过程中具有跨越焊缝扩展的趋势,焊缝裂纹在扩展过程中会向回退侧热机影响区偏转,回退侧热机影响区和母材裂纹扩展的偏转角度较小。     

金属圆柱棒的高速剪切断裂数值模拟及实验研究

介绍利用弹塑性有限元模拟金属圆柱棒的剪切断裂过程,分析高速径向夹紧剪切时材料断裂过程、材料破坏准则的选取等关键技术。应用单元消除法分析剪切裂纹的扩展,得到剪切各个阶段的金属流动、应力、应变的分布情况,并在棒料高速剪切机上进行实验研究,实验结果与模拟结果一致,从而验证采用径向夹紧的高速剪切工艺可以极大地提高剪切下料的生产效率和剪切断面质量。     

冲击载荷作用下块煤的断裂破碎行为研究

块煤破碎是获得小粒度煤的主要途径,而冲击破碎是目前广泛使用的块煤破碎方法。用裂纹扩展理论对冲击载荷作用下块煤的断裂破碎行为进行分析,得到块煤内部由应力波导致的裂纹扩展速度和瞬时裂纹长度的函数表示,给出块煤在冲击载荷作用下的断裂破碎准则。选择不同粒度的块煤进行冲击实验,实验结果表明断裂破碎准则可有效判别冲击载荷作用下块煤的断裂破碎情况,可作为冲击破碎机械初步选型的依据。     

拉伸载荷下穿透双裂纹干涉行为与合并准则研究

多裂纹的扩展与合并行为显著影响工程构件的剩余强度与使用寿命。为获得裂纹合并规律,对含不同长度和不同相对位置的非等长穿透双裂纹平板试样进行了拉伸试验,并基于延性损伤模型开展了有限元分析。结果表明,数值模拟中裂纹张口位移变化、扩展与合并行为与试验结果一致。此外,非等长穿透双裂纹长度及相对位置的变化,显著影响裂纹尖端的应力三轴度分布,进而影响双裂纹的合并行为。通过大量数值模拟分析,提出一种基于裂纹长度和相对位置的新合并准则。对照71组试验结果发现,新合并准则预测准确率高达84.5%;对照274组数值模拟结果发现,准确率高达91.2%。所提出的拉伸载荷下裂纹合并准则不仅具有显著高于现行含缺陷结构安全评定标准中合并准则的准确率,并且具有必要的保守性,可为工程构件中多裂纹合并与否提供有效判断。     

基于XFEM的齿轮腹板结构与齿根裂纹扩展关联规律研究

研制基于扩展有限元方法(XFEM)的齿轮裂纹扩展计算程序,用标准算例验证计算程序准确性。提出裂纹扩展路径与齿轮中心的距离作为轮齿/轮缘断裂的评判指标,研究轮缘厚度、腹板厚度、腹板圆孔大小及位置对直齿轮齿根裂纹扩展路径的影响,计算结果表明,轮缘厚度的减小导致了齿根裂纹扩展路径整体地朝齿轮中心方向移动,增加了轮缘断裂的可能性;腹板厚度的减小导致齿根裂纹扩展路径整体地朝齿轮中心方向移动,增大了轮缘断裂的可能性;腹板圆孔的存在增加了齿轮轮缘断裂的可能性,而且圆孔尺寸越大,轮缘断裂的可能性越大;齿槽正下方可作为腹板圆孔的优选位置。     

焊趾位置表面裂纹疲劳扩展形状计算

针对结构中出现的表面裂纹诱发断裂现象,利用断裂力学理论中裂纹尖端应力强度因子与裂纹扩展能量释放率的关系,依据裂纹扩展时裂纹前沿各点的有效能量释放率相等,在考虑裂纹闭合效应的基础上提出一种表面裂纹扩展形状演化计算方法。采用提出的方法计算了T型焊接结构焊趾位置表面裂纹在拉伸疲劳载荷作用下的表面裂纹形状参数函数关系,模拟出表面裂纹疲劳扩展时的形状演化过程。进行了T型焊接试件的表面裂纹扩展有限元模拟和试验,结果与理论计算结果基本一致,验证了基于能量释放率的结构表面裂纹疲劳扩展形状演化计算方法的有效性。