概率断裂分析中随机有限元法的应用

本文应用随机有限元法分析裂纹尺寸和材料弹性常数的随机性对应力强度因子以及疲劳裂纹扩展的影响。文中利用一类杂交的奇异单元来考察裂纺长度和材料参数不确定时应力强度因子的均值和方差，并进一步分析了疲劳裂纹随机扩展的均值和变差系数曲线，最后通过数例检验了方法的有效性。     

斜拉桥正交异性钢桥面板疲劳试验研究

以板桁斜拉桥的Q500qE正交异性钢桥面板作为研究对象,采用足尺节段模型疲劳试验和数值模拟的方法,对具有宽U肋的正交异性钢桥面板关键细节的疲劳性能进行研究. 通过施加预应力的方法模拟桥面板的轴压力. 3个试验模型总计进行650万次变幅疲劳循环加载. 研究结果表明,嵌补段焊缝初始裂纹以宏观长裂纹的方式出现在腹板下缘,荷载幅越大,初始裂纹越长;宽U肋嵌补段腹板和底板的裂纹扩展可以分为4个阶段,各阶段间有明显的分界点;裂纹扩展速度与裂纹扩展长度正相关;轴压力增大了嵌补段裂纹扩展速度;对设置了焊接垫板的宽U肋嵌补段的焊缝余高进行铲除并磨平处理可以提高焊缝细节的疲劳强度. 推荐采用我国公路钢桥结构设计规范（JTG D64-2015）中110类细节疲劳强度设计宽U肋嵌补段对接接头焊缝.     

橡胶球铰疲劳裂纹扩展寿命预测

通过橡胶纯剪试样疲劳裂纹扩展试验,得出了裂纹扩展速率与撕裂能之间的关系;以单位撕裂能范围为损伤参量,建立了复杂应力状态下的橡胶疲劳裂纹扩展寿命预测模型.基于ABAQUS有限元结构分析和橡胶材料等效应力计算方法,得出橡胶球铰在疲劳载荷下的单位撕裂能范围;对橡胶球铰的疲劳裂纹扩展寿命进行分析预测,并通过产品台架疲劳实验进行验证,结果表明橡胶球铰经过200万次疲劳试验后无明显裂纹,没有发现失效破坏,与寿命预测值基本吻合.     

基于涡流无损检测技术的金属表面缺陷三维模拟分析

该文研究了人工预制缺陷(矩形缺陷)模型的检测以及疲劳缺陷(三角形缺陷)模型的检测。通过COMSOL Multiphysics建立的人工预制缺陷以及疲劳缺陷的三维数值计算模型,详细研讨了金属铝材出现这两种不同缺陷时,其深度和高度与磁通密度Z分量之间的关系,并且以无缺陷模型作为对比,分析了磁通密度Z分量的差分信号。同时,通过COMSOL Multiphysics建立的含缺陷的脉冲涡流检测系统的有限元分析模型,详细分析了两种不同缺陷的磁通密度模值分布随缺陷高度和深度的定量演化规律。该文的研究集中在表面缺陷中的人工预制缺陷以及疲劳缺陷模型,研究结论将有利深入理解缺陷检测原理,并且可以应用于金属构件表面缺陷的定量检测中。     

Correlation of the positive stress ratio effects on fatigue crack propagation rate of aluminium alloys based on a new parameter da/dS

In-situ SEM （Scanning Electron Microscope） observation of fatigue crack propagation in aluminium alloys reveals that crack growth occurs in a continuous way over the time period during the load cycle. Based on this observation, a new parameter da/dS is introduced to describe the fatigue crack propagation rate, which defines the fatigue crack propagation rate with the change of the applied stress at any moment of a stress cycle. The relationship is given between this new parameter and the conventional used parameter da/dN which describes the fatigue crack propagation rate per stress cycle. Using this new parameter, an analysis has been performed and a model has been set up to consider the effect of the applied stress ratio on the fatigue crack propagation rate. The obtained results have been used to correlate the published test data and a good correlation has been achieved. This method is very easy to use and no fatigue crack closure measurement is needed, therefore this model is significant in engineering application.     

随机载荷谱下裂纹扩展统计特性研究

针对随机载荷谱下裂纹扩展的随机性和分散性,本文在确定性断裂力学基础上,应用概率断裂力学(PFN)方法研究随机载荷谱下裂纹扩展的分散性.考虑随机载荷谱下裂纹扩展分析特点,发展描述裂纹随机扩展统计特性的模型.通过与大子样试验结果对比,表明该模型可较好地反映裂纹扩展的统计特性.只要相应参量的分布特性已知,该模型亦可较方便地应用于工程实际.     

两种汽轮机转子钢蠕变-疲劳裂纹扩展特性对比

研究了1Cr10Mo1W1Ni VNb N钢和30Cr1Mo1V钢的裂纹萌生时间与初始应力强度因子及保载时间之间的关系,比较了两种钢的蠕变、疲劳特性,讨论了线性损伤累积模型的实用性,并分析了蠕变-疲劳裂纹扩展行为与时间和循环的相关性.试验结果表明:拟合关联式满足精度要求,能够进行裂纹萌生时间寿命预测;线性损伤累积模型仅适用于保载时间比较短的蠕变-疲劳裂纹扩展试验,其裂纹扩展受控于循环条件.长保载时间的蠕变-疲劳交互作用比较明显,裂纹扩展受控于时间条件.     

多维应力状态下裂纹扩展规律研究

通过对具有预裂纹的圆柱形带缺口试件的高温低周疲劳试验，并借助于带有非硬化区的双曲面模型程序，进行了轴对称问题的循环应力、应变计算。研究表明三维应力状态下，裂纹扩展速率ｄａ／ｄＮ可用当量Ｊ积分范围ΔＪｅｑ及当量应变能密度ΔＷｅｑ进行表征。     

Q345圆钢杆的疲劳破坏模型

为研究结构钢圆杆的疲劳破坏模型,以结构钢的椭球面断裂模型为开裂判据,由结构钢圆杆疲劳裂纹的裂尖真实应力场,计算出结构钢圆杆疲劳裂纹的失稳扩展面积、稳定扩展面积和稳定扩展长度.基于结构钢疲劳裂纹随加载次数加速扩展的试验事实,假定结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展速率是循环加载次数的单调递增幂函数,即双对数坐标系下结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展速率和循环加载次数为单调递增线性函数,积分后得到结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展长度和疲劳寿命间的函数表达式,导出结构钢圆杆的疲劳破坏模型.建议的结构钢圆杆的疲劳破坏模型表明,结构钢圆杆的疲劳寿命是名义最大应力、相对应力幅、初始裂纹位置和初始裂纹长度的复杂函数,不能简单化为仅是应力幅的函数.对Q345B圆钢杆进行了常幅循环应力疲劳试验,结果表明,Q345B圆钢杆的疲劳寿命随相对应力幅和名义最大应力的增加而降低.根据Q345B圆钢杆的疲劳试验结果,标定了其疲劳破坏模型参数,验证了建议的疲劳破坏模型精度.     

高强螺栓节点腐蚀疲劳可靠度分析

针对高强螺栓裂纹尺寸与临界裂纹尺寸的概率密度函数相交可能发生疲劳破坏的问题,本文对高强螺栓腐蚀疲劳可靠度计算模型进行研究。分析了高强螺栓节点在腐蚀环境下的疲劳可靠度,并采用Gerberich-Chen公式,估算高强螺栓腐蚀裂纹扩展门槛值,同时基于断裂力学理论和结构可靠度理论,导出高强螺栓腐蚀疲劳可靠度计算模型,并以M24高强螺栓节点为例,对高强螺栓节点应力及受力进行计算,计算结果表明,螺栓最大使用应力为572MPa,高强螺栓节点腐蚀疲劳可靠度为0.994 5。该计算模型可以充分利用现有设计资料、数据,较方便地计算高强螺栓腐蚀疲劳可靠度,进而预测高强螺栓的疲劳寿命,为高强螺栓节点腐蚀疲劳计算分析提供了理论参考。     

非比例过载对低周疲劳寿命的影响

低周疲劳研究结果表明：当周期性非比例过载的最大正应力面与常幅载荷的最大剪应力面取向接近或一致时，或前者最大剪应力面与后者最大正应力面取向一致时，由于疲劳裂纹扩展第Ⅰ阶段向第Ⅱ阶段转变的提前发生，将导致累计疲劳寿命明显下降。     

考虑残余应力的焊接节点疲劳寿命有限元分析

为研究残余应力对焊接结构疲劳性能的影响,基于热力耦合计算方法建立了热弹塑性有限元模型,模拟T型节点焊接全过程及焊后热处理的温度场与应力场.基于扩展有限元法建立T型焊接节点断裂力学数值模型,将焊接应力场作为初始条件引入模型并分析其对疲劳裂纹动态扩展行为的影响.结果 表明,未考虑残余应力时,焊接节点疲劳裂纹向焊缝两端均匀发...     

超声加速疲劳实验研究

通过20kHz压电超声加速疲劳试验机对多种金属材料进行测试，实验地证明了超高周疲劳裂纹往往从试件内部萌生的机制，试件在超过10^7周应力循环后继续发生破坏，研究还发现，材料超高周疲劳的S－N曲线可以表现出另两种有别于传统规范的10^7 极限型，即持续下降型和阶梯下降型。还总结了近年来超声疲劳的研究进展，结合作者多年国外的研究工作，着重从加速超声试验设备的发展，多种材料及条件下的实验研究结果及其重要结论作了概述与讨论。     

预应力RPC-NC叠合梁疲劳裂缝宽度的计算方法

为研究预应力活性粉末混凝土（RPC）-普通混凝土（NC）叠合梁的疲劳开裂性能,以中国铁路32 m T型梁为原型,制作了4根部分预应力RPC-NC叠合试验梁进行静载试验和等幅弯曲疲劳试验,对试验梁在不同次数疲劳加载下的裂缝数量、裂缝宽度、裂缝间距等开裂发展情况进行分析.以平截面假定为基础,考虑开裂截面处钢筋的疲劳应变增大系数,基于黏结滑移理论推导处于疲劳稳定阶段时RPC-NC叠合梁的裂缝间距及裂缝宽度,提出考虑RPC疲劳抗拉性能及RPC与钢筋间疲劳黏结性能的计算方法.同时为便于设计应用,在铁路规范提供的裂缝宽度计算公式的基础上,引入考虑RPC疲劳抗拉性能影响和循环荷载引起的疲劳扩大影响的系数,得到适用于预应力RPC-NC叠合梁裂缝宽度的计算式.将通过两种方法得到的计算结果和本文试验结果进行对比发现,基于黏结滑移理论的疲劳裂缝宽度计算方法和修正后的铁路规范计算公式均能较为准确地计算预应力RPC-NC叠合梁进入疲劳稳定阶段后的最大裂缝宽度.     

低铬合金钢的超高周疲劳行为和裂纹扩展路径分析

SAE5120钢是汽车行业中齿轮构件使用的材料,其实际使用循环数超过了109。研究经过热处理、普通渗碳或表面低压渗碳处理后的低铬合金钢的超高周疲劳行为,应用压电超声疲劳试验机(20 kHz,应力比R=0.1)完成超高周疲劳试验,并获得处理后材料的超高周疲劳行为。通过对表面渗碳处理后试件断口的裂纹扩展路径分析,研究材料表面渗碳处理、微观结构、与杂质有关的裂纹萌生及断裂机理,根据高倍扫描电镜的裂纹条纹测量和应力强度因子计算对Paris公式的参数进行了估计。     

基于裂纹扩展的两级加载下的疲劳-蠕变寿命预测

取加载一个周期内拉应力作用下的应变能密度增量为材料的损伤变量,由迟滞回线所围面积导出了该损伤变量的计算式;依据材料被损伤会使裂纹扩展,裂纹的扩展会导致试件发生断裂的事实,以J积分为裂纹扩展的控制参量,将裂纹扩展看作纯疲劳损伤与蠕变损伤二者共同的贡献,考虑疲劳-蠕变的交互作用,导出了在两级应力加载下的疲劳-蠕变寿命的表达式;该表达式与加载的波形、材料的疲劳-蠕变速率相关.应用该表达式对316L钢在550℃两级应力梯形波加载下的疲劳-蠕变寿命进行了预测,预测值在1.5倍误差因子以内,预测精度较高.     

宽带随机谱下叉头疲劳寿命预测模型

依据疲劳裂纹扩展模型及严格的数学推导，引入了一种新的等效应力幅概念。提出了依据宽带随机谱功率密度函数求解等效应力幅的半解析公式。作为应用，建立了万向接轴叉头在宽带随机谱作用下，疲劳寿命快速评定模型。     

焊接残余应力对压力容器疲劳裂纹扩展的影响

给出了焊接残余应力对压力容器疲劳裂纹扩展的影响,采用断裂力学理论分析疲劳行为,引用了裂纹张开率U和有效应力强度因子幅值△Keff的概念.     

基于固有频率变化的点焊接头疲劳寿命预测

为得到固有频率随疲劳裂纹扩展的变化规律,在拉剪点焊试样有限元模型中,使用逐渐由少到多断开单元节点的方法模拟裂纹扩展过程.根据损伤力学原理和裂纹在横截面上的投影定义了损伤,建立了基于载荷幅和平均应力的疲劳寿命预测模型.利用此模型预测了实际试样的疲劳寿命.寿命预测结果与实验寿命结果对比表明,此疲劳寿命预测模型能较好地估算点焊结构的疲劳寿命.     

三向应力状态下的应力─应变曲线及其应用

应用弹塑性力学的基本原理,推导了由材料单调拉伸应力─应变（σ－ε）曲线求得三向应力状态下应力－应变（σ1－ε1）曲线的表达式。实验结果验证了理论分析结果的正确性,并用σ1－ε1曲线解释了材料在受三向拉应力时机械性能的变化以及带裂纹构件在裂纹扩展时裂纹前缘形状变化的原因。