考虑裂纹闭合效应的疲劳裂纹扩展有限元分析

由材料塑性诱发的裂纹闭合效应对疲劳裂纹扩展的影响显著。针对紧凑拉伸试样，通过构建其有限元模型，同时考虑塑性诱发的裂纹闭合效应，采用恒幅循环加载方式，对试样裂纹扩展区域内节点位移和反力进行计算与处理，获得了裂纹张开载荷，并讨论了网格尺寸、节点释放时刻、监测点位置等对裂纹张开载荷的影响；对于稳定的裂纹张开载荷，探讨了基于节点反力的线性插值计算方法，可获得更加精确的数值，研究成果对疲劳裂纹扩展分析和寿命预测具有参考价值。     

基于FRANC2D的疲劳裂纹扩展数值模拟

介绍了二维断裂分析有限元软件FRANC2D（Fracture Analysis Codein 2 Dimensions）疲劳裂纹扩展的基本原理以及一般计算过程，为了验证FRANC2D在疲劳裂纹扩展数值模拟方面的准确性，对含中心裂纹试样平板进行疲劳试验，并将试验结果和软件中模拟的结果进行对比，同时进一步说明其方法。     

弹塑性疲劳裂纹扩展行为的数值模拟

基于ABAQUS有限元软件建立内聚单元模型以研究I型弹塑性疲劳裂纹的扩展过程。利用UEL子程序定义内聚单元的疲劳损伤累积准则以识别疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的位置,并预测裂纹扩展速率da/d N。结果发现,预测的裂纹扩展速率与已有的试验结果吻合良好。通过ABAQUS软件中的温度-位移耦合分析方法同步获取裂纹扩展过程中因塑性变形能引起的裂纹尖端瞬态温度场的变化。结果显示,疲劳损伤累积准则所识别的裂纹尖端位置与裂纹扩展时最大温升点的位置具有一致性。这说明疲劳裂纹扩展过程中温度信号的变化也可以用于裂纹扩展规律的研究。基于数值模拟的方法验证了疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的温升信号ΔT与裂纹扩展速率da/d N、应力强度因子范围ΔK之间的幂函数关系。研究成果有望用于疲劳裂纹扩展寿命的快速预测。     

疲劳裂纹工程评定方法的新进展

本文首先简单回顾了一些评定疲劳裂纹的工程方法,随后主要介绍了一种新的应用三维有限元直接模拟疲劳裂纹扩展方法的研究进展;最后着重描述了本文作者最近发展的,能自动模拟面形疲劳裂纹形状扩展的计算软件DUCK的基本原理及一些技术细节,并给出了一些裂纹在疲劳载荷作用下形状扩展的数值模拟结果。     

金属焊接接头疲劳裂纹萌生寿命估算方法的研究

疲劳裂纹萌生阶段在整个疲劳破坏过程中占有极为重要的地位，而萌生阶段的裂纹体损伤规律用长裂纹断裂力学方法是无法确定的。这里以萌生阶段中塑性滞回能作为控制参量，根据实验数据拟合出疲劳损伤的连续曲线，得到裂纹萌生寿命估算公式。     

微观结构下多晶材料的疲劳损伤模型及裂纹的数值模拟方法

考虑多晶材料疲劳行为受晶粒拓扑结构的影响,建立了多晶材料Voronoi镶嵌的有限元微观结构模型,并在Voronoi边界插入内聚力单元模拟晶界特性。在此基础上,基于Abaqus双线性内聚力本构关系,建立了内聚力单元的疲劳累积损伤模型,定义了损伤变量,损伤判据以及损伤规律;通过Abaqus UMAT(User-defined material mechanical behavior)子程序编写了内聚力单元疲劳损伤的数值计算程序,实现了对微观结构下材料滚动接触疲劳裂纹萌生与扩展的行为模拟。以滚子与滚道的接触疲劳分析为例,将数值模拟结果与实测结果相比,表明了该数值仿真方法模拟多晶材料裂纹形成和扩展的有效性。     

基于FRANC2D的疲劳裂纹扩展数值模拟

介绍了二维断裂分析有限元软件FRANC2D(Fracture Analysis Code in 2 Dimensions)疲劳裂纹扩展的基本原理以及一般计算过程,为了验证FRANC2D在疲劳裂纹扩展数值模拟方面的准确性,对含中心裂纹试样平板进行疲劳试验,并将试验结果和软件中模拟的结果进行对比,同时进一步说明其方法.     

恒幅和单峰超载疲劳裂纹尖端区域残余应力场的数值模拟

采用弹塑性有限元方法,对恒幅及不同超载比的单峰超载作用下的裂纹扩展进行有限元模拟.通过模拟得到的裂纹扩展过程中裂尖塑性区及应力(残余应力)场分析产生裂纹闭合的原因以及对裂纹扩展的影响.结果表明,从残余应力角度分析裂纹扩展是可行的,为建立基于残余应力的裂纹扩展模型提供分析基础.     

20CrMnTi齿轮钢疲劳裂纹扩展试验与数值模拟研究

为了研究20CrMnTi齿轮钢的疲劳裂纹扩展问题,首先,将材料20CrMnTi制成紧凑拉伸试样,在疲劳拉伸试验机上进行载荷比R=0.3的疲劳裂纹扩展试验;然后,应用数值模拟软件Abaqus对疲劳裂纹扩展过程进行数值模拟.结果表明,数值模拟结果和试验结果具有相同的变化趋势,二者的差别在误差允许范围内;数值模拟方法能够很好地描述紧凑拉伸试样疲劳裂纹扩展过程.为20CrMnTi齿轮钢疲劳裂纹扩展过程及疲劳寿命的研究提供了一种有效的试验和模拟分析方法.     

疲劳短裂纹在残余应力场中的闭合和扩展

用压入法引入残压应力,以研究穿透短纹在残余应力听扩展规律。残余压力是通过提高裂纹闭合而提高裂纹扩和,此法不仅适用于长裂纹,也可延伸致短裂纹阶段,残余应力的引入不改变材料的本征门槛。     

焊接结构件疲劳裂纹扩展的数值研究

针对焊接结构件中出现地裂纹现象,建立塔式起重机起重臂有限元模型。采用有限元数值模拟,同时考虑残余应力的影响,计算QTZ40塔机起重臂下弦杆与水平腹杆焊接处在变幅小车满载和空载状态下,不同长度裂纹对应的应力强度因子,建立裂纹应力强度因子幅与裂纹长度的函数关系,进而估算塔机起重臂的疲劳寿命。结果表明:应力强度因子幅随裂纹长度的增加而增大,当裂纹长度到达某一值后,应力强度因子幅呈指数型加快形式,故采取有效措施防止裂纹的快速扩展,可提高结构的疲劳寿命。     

16MnR钢在不同应力比下的疲劳裂纹扩展的试验研究及模拟

采用3.8 mm厚带有圆形缺口的CT试样,研究了16MnR钢在不同应力比的恒幅循环载荷作用下的疲劳裂纹扩展。开发了一种基于疲劳损伤的方法来模拟疲劳裂纹扩展速率。将16MnR钢的循环塑性本构模型通过用户材料子程序UMAT嵌入到ABAQUS中。把有限元计算得到的疲劳裂纹尖端附近区域的弹塑性循环应力应变结果,代入到疲劳损伤模型中,得到每个加载循环在裂尖各点产生的疲劳损伤值。通过疲劳损伤准则,导出疲劳裂纹稳定扩展速率的计算公式。疲劳裂纹扩展试验验证了模拟结果。实验结果和模拟结果都表明,该试样厚度下,应力比对裂纹扩展速率几乎没有影响。     

拉压载荷对疲劳裂纹扩展影响的有限元分析

利用弹塑性有限元方法研究了压应力对裂纹尖端塑性区的影响和长短裂纹尖端的塑性区和裂纹张开剖面.通过分析表明,压应力对裂纹尖端塑性区和疲劳裂纹的扩展有显著的影响.     

一种改进的疲劳裂纹闭合Newman模型

针对Nweman模型、Dugdale模型存在的对裂纹前端复杂塑性区和变应力比情况的计算精度不高、计算量大的问题，提出了一种改进模型。利用改进模型的计算结果，与Elber的实验结果以及Dugdale的理论分析结果进行了对比，证明了改进模型具有较高的精度。利用改进模型，对各种不同的应力比和过载情况下的裂纹扩展进行了计算，模拟出明显的裂纹闭合现象，其结果有助于裂纹闭合分析理论的建立。     

应用改进的虚拟裂纹闭合方法求解三维裂纹应力强度因子

基于有限元计算结果计算结构的能量释放率,利用能量释放率来计算结构的应力强度因子。本文对现有的虚拟裂纹闭合方法作了改进,即应用本文改进的虚拟裂纹闭合方法求解三维裂纹体应力强度因子时,裂纹前缘的裂纹面可以是任意形状,且裂纹前缘的有限元单元宽度可以不等。文中以三维表面裂纹为例,应用改进的虚拟裂纹闭合方法计算了该结构的应力强度因子,同时讨论了裂纹前缘有限单元宽度对应力强度因子的影响。     

HT槽体结构动态响应仿真及疲劳分析

HT(隧道式回潮机)是烟草制丝线上主要设备之一.针对其槽体底板易开裂的问题,提出了结构整改方案;应用MSC系列软件,分别模拟了槽体结构整改前后在工作中的动态响应过程,在此基础上进行疲劳寿命分析.分析结果表明整改后的槽体能较好的满足使用要求.新的结构经过1年使用完好无损,说明仿真分析方法正确可行.     

30Cr2Ni4MoV转子钢II型裂纹的疲劳扩展行为

材料疲劳裂纹扩展(Fatigue crack propagation,FCP)速率是表征材料抗疲劳破坏的重要力学性能指标,是对核反应堆工程、化工、航空、航天、高铁等关键工程进行结构完整性评价的重要依据。采用Arcan试样对30Cr2Ni4MoV转子钢的II型裂纹疲劳扩展行为进行研究,结合已有裂纹扩展方向预测准则对II型裂纹疲劳扩展方向进行预测,结果表明,最大周向应力准则可以较好地预测II型裂纹疲劳扩展方向。采用紧凑拉伸(Compact tension,CT)试样获取30Cr2Ni4MoV转子钢的I型裂纹疲劳扩展速率,对比I型裂纹和II型裂纹的疲劳扩展试验获得的FCP速率与J积分范围关系趋势,二者较为接近。针对30Cr2Ni4MoV转子钢,依据Arcan试样获得的II型裂纹疲劳扩展速率试验结果可用于结构裂纹扩展剩余寿命的预测。     

Three-Dimensional Simulation of Rolling Contact Fatigue Crack Growth in UIC60 Rails

In this article, a UIC60 rail with accurate geometry is studied by employing the finite element method. For this purpose, a three-dimensional elastic-plastic finite element model is conducted using model. In addition, the stress distribution of wheel-rail operation is acquired, and its effects on fatigue life are specified by damage mechanic methods. In the finite element model, the displacements and stress intensity factors (SIFs) are computed on the crack near the leading edge to calculate crack propagation trajectories and crack growth rate. The modified Paris model is used to estimate fatigue crack growth rates.     

裂纹扩展过程中电磁谐振疲劳试验系统动态特性分析*

电磁谐振疲劳裂纹扩展试验系统是一种工作在谐振状态下测试金属材料断裂特性的试验装置,要求在裂纹扩展过程中精确跟踪系统的固有频率和控制试验载荷,为达到这一目的,需要对裂纹扩展过程中系统的动态特性进行精确的分析。据此,建立3自由度有阻尼电磁谐振疲劳试验振动系统的数学模型,采用ANSYS有限元法计算CT紧凑拉伸试件的刚度,研究不同材料试件刚度、系统固有频率,试验载荷幅频曲线、共振振幅在裂纹扩展过程中的变化规律,并进行相关试验,试验结果表明：系统固有频率计算值与试验测量值之间的最大偏差为1.9 Hz;系统动态特性仿真结果与试验结果能够较好地吻合。该研究结果为电磁谐振式疲劳试验载荷的高精度控制提供了理论依据。