焊接结构件疲劳裂纹扩展的数值研究

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.

     

海洋工程焊接结构疲劳小裂纹扩展观察与表征

海洋工程焊接结构中不可避免地存在焊接缺陷,由焊接缺陷引起的疲劳裂纹扩展是导致海洋工程结构失效的主要原因。文中针对海洋工程焊接结构小裂纹的疲劳裂纹扩展行为表征和计算方法进行研究,小裂纹的疲劳裂纹扩展行为与宏观长裂纹明显不同,随着裂纹长度的增加,呈先降低后增加的V形变化趋势。考虑裂纹扩展的闭合效应,提出了等效应力强度因子可以很好地反映小裂纹的疲劳裂纹扩展速率变化规律。     

高应力比下HQ－60钢焊缝的疲劳裂纹扩展速率

通过对ＨＱ－６０新钢种的试板和试样焊缝的残余应力实测得到，试样焊缝中的残余应力很小，在研究高应力比下焊缝的疲劳裂纹扩展时可忽略其影响。根据焊缝的裂纹扩展试验结果，得到了在线弹性范围内扩展速率公式。在小范围屈服区提出了一个应力强度因子修正方法，扩大该公式的应用范围，为焊接结构寿命分析提供了方便。     

焊接结构残余应力和测定及其对疲劳裂纹扩展速率的影响

采用Ｘ射线法和切割应力释放法测定了焊接件残余应力的分布，研究了它们的分布规律，由于切割应力释放法可以近似模拟裂纹扩展时的残余应力的变化，从而查明了残余应力对疲劳裂纹扩展速率的影响。     

管线钢疲劳裂纹扩展速率与疲劳寿命关系的研究

通过对管线钢表面缺陷的断裂力学分析,建立了用管线钢的疲劳裂纹扩展数据估算含初始缺陷的管道在运行条件下的疲劳寿命的数学计算方法．用该方法计算了6种管线钢在给定运行条件下的疲劳寿命,并进行了模拟实际条件的疲劳实验,表明管线钢疲劳寿命的计算值与实验值之间存在良好的线形关系,即在疲劳裂纹扩展实验结果的基础上,计算管线钢在实际运行条件下的疲劳寿命是可行的．同时讨论了管线钢的组织对其疲劳性能的影响．     

AlLY12爆炸焊接界面疲劳裂纹的扩展行为

采用纯铝／硬铝（Al/LY12)爆炸复合板通过电子束焊接制得界面裂纹四点弯曲试样,由于强度错配,Al/LY12界面裂纹顶端局部的变形是锐化与钝化的复合型,但在疲劳载荷下其整体裂端应力应变场仍然可由纯1型应力强度因子主导,可以采用和单材料试样相同的方式进行界面裂纹的疲劳扩展行为研究,界面裂纹可在较低的外载水平下启努扩展,但爆炸焊接界面存在的波纹使得界面裂纹的扩展速率出现波动,并且阻碍裂纹的扩展,相同外载下Al/LY12界面裂纹的疲劳扩展速率低于单材料LY12的疲劳扩展速率。     

疲劳裂纹扩展行为的研究现状及钛合金的疲劳裂纹扩展特征

疲劳裂纹扩展行为是现代材料研究中重要的内容之一。论述了组织结构、环境温度、腐蚀条件以及载荷应力比、频率变化对材料疲劳裂纹扩展行为的影响。总结出疲劳裂纹扩展研究的常用方法和理论模型,并讨论了"塑性钝化模型"和"裂纹闭合效应"与实际观察结果存在的矛盾。最后,对钛合金疲劳裂纹扩展研究的内容和研究结果进行了概述。     

不锈钢在循环扭转载荷下近门槛值的疲劳裂纹扩展行为

研究了带环状预裂纹不锈钢圆棒试样在循环扭转载荷下、门槛值附近的疲劳裂纹扩展行为,用应力强度因子表征了裂纹扩展开始的门槛值．随着裂纹的扩展,裂纹扩展速率由于裂纹面的滑移接触而减小．通过外插裂纹扩展速率与裂纹长度之间的关系,可近似得到裂纹长度为零时无裂纹面滑移接触影响的裂纹扩展速率．施加的应力强度因子范围可分解为推动裂纹扩展的有效值和由于裂纹面的滑移接触而屏蔽掉的两部分．预测了疲劳裂纹的萌生和断裂极限,预测值和实验值相当一致．     

考虑材料微观塑性损伤的焊接接头延性裂纹扩展行为分析

通过考虑材料微观塑性损伤，定量研究了焊接接头中强度匹配、试件几何形状对接头抗延性裂纹扩展行为的影响。对管线用钢焊接接头，测试了标准三点弯曲试样、同种接头及不同匹配状态的双边裂纹拉伸试样的阻力曲线。通过考虑材料塑性损伤的数值模拟，由标准三点弯曲试样的阻力曲线测试结果，得出反映材料微观损伤的特殊单元模型控制参量，再根据该参量对同种接头及不同接头强度匹配下双边缺口拉伸试件的阻力曲线进行了定量预测，其结果与试验结果相当吻合。结果表明，考虑塑性损伤的特殊单元模型能很好地描述接头的抗延性裂纹扩展阻力特性。     

显微组织对Ti_3Al－Nb系合金疲劳裂纹扩展行为的影响

本文测试了三种显微组织的Ｔｉ３Ａｌ－Ｎｂ系合金的室温疲劳裂纹扩展速率．结果表明，初生α２相的体积分数、基体的晶粒尺寸、高温β转变产物的形貌以及静态屈服强度是影响材料的疲劳门槛值和裂纹扩展速率的重要因素；应力比的影响有着普遍的规律性．结合ＳＥＭ断口及裂纹扩展路径观察结果，对疲劳裂纹扩展行为进行了简单的讨论．     

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。     

高强度钢压剪疲劳裂纹扩展的实验研究

滚珠轴承接触点附近的高压剪应力是引起轴承疲劳破坏的原因。为获得高强度钢在压剪疲劳加载下的断裂性态,通过轴向裂纹薄壁圆筒的压剪疲劳加载试验,研究了这类材料的疲劳破坏规律。结果表明,复合疲劳加载时门槛值对压应力分量并不敏感,但对扩散速率和临界扩展角却有明显影响。裂纹扩展速率随压应力增加而提高,裂纹较快达到失稳;裂纹扩散角则随压应力增加而减小,疲劳裂纹将向有利于Ⅰ型断裂的方向扩展。这表明轴承滚道内,任何平行于压应力的缺陷、微裂纹都将是十分危险的。     

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.     

强度错配双层金属板垂直界面裂纹疲劳扩展行为

采用四点弯曲试样对爆炸焊接奥氏体不锈钢/低碳锅炉钢（1Cr18Ni9Ti/20G)层合板垂直界面裂纹的疲劳扩展行为进行了研究。结果表明：由于强度错配,裂纹起于高强度材料一侧时其疲劳扩展速率提高,而起始于低强度材料一侧时其疲劳扩展速率降低;但当裂纹尖端接近界面时,界面的存在对于上述两种情况下疲劳裂纹的扩展均起到了一定的屏蔽减速作用。只是其屏蔽效应的作用范围有所不同;在不发生偏折分叉的情况下,不论裂纹起始于层合板的哪一侧,只要外加载荷足够大,裂纹均能穿过界面,同时,对于试样尺寸及其导致的裂尖应力T对于裂纹的扩展路径和在界面处行为的影响也进行了讨论和分析。     

考虑塑性的钢轨表面疲劳微裂纹分析

目的 研究塑性条件下受重复轮轨荷载的钢轨表面的初始疲劳裂纹行为。方法 建立含表面微裂纹的钢轨二维有限元模型,通过耦合裂纹面对应节点达到无裂纹的效果。经过几次循环加载后取消节点耦合设置,达到出现裂纹的效果。分析随着轮轨循环加载钢轨的响应,计算残余应力强度因子,并利用渐进状态（随着循环次数的增加,裂纹尖端区新产生的塑性越来越小,裂尖小范围内塑性不再增加）下的应力强度因子计算初始疲劳裂纹扩展速率。结果 有限元模拟中,轮轨荷载循环加载在钢轨上表面,使其产生拉伸残余应力,且随着深度增加,拉伸残余应力越来越小。裂纹萌生后,不同角度的裂纹残余（KI）都随循环次数的增加而减小,但残余（KII）都随循环次数的增加而增大。受残余应力的影响,渐进状态下的钢轨表面初始微裂纹应力强度因子随裂纹角度（θ）的增加而增加。结论 钢轨表面的残余应力加快了初始微裂纹的扩展速率,降低了钢轨的使用寿命。     

Ti-1023钛合金的疲劳裂纹扩展行为

研究了Ti-1023合金轮盘轮缘的疲劳裂纹扩展规律,分析了取样方向和应力比对疲劳裂纹扩展速率的影响.结果表明,在相同的应力场强度因子范嗣下,随应力比的增大,裂纹扩展速率也随之增大;而取样方向对疲劳裂纹扩展速率的影响不大;验证了全范嗣疲劳扩展公式,为进一步寿命估算提供了依据.     

不同类型过载下Ⅰ型疲劳裂纹的扩展行为

研究了Ⅱ、Ⅲ型过载对Ⅰ型疲劳裂纹扩展行为的影响并与Ⅰ型过载进行比较．结果表明：单周Ⅱ、Ⅲ型过载也延迟了其后的Ⅰ型疲劳裂纹扩展，但作用程度小于Ⅰ型过载；过载延迟效应随过载时基础载荷的降低和过载比的加大而增强，在近门槛区过载表现为疲劳裂纹扩展停止、疲劳门槛提高，在高基础载荷过载时疲劳裂纹则延缓、减速扩展．过载延迟行为主要由裂尖尾迹塑性诱导裂纹闭合和裂尖附近残余压应力状态引起。     

焊接结构残余应力的测定及其对疲劳裂纹扩展速率的影响

采用Ｘ射线法和切割应力释放法测定了焊接件残余应力的分布．研究了它们的分布规律．由于切割应为释放法可以近似模拟裂纹扩展时的残余应力的变化，从而查明了残余应力对疲劳裂纹扩展速率的影响。     

PD3钢轨钢接触疲劳裂纹扩展行为研究

从滚动-滑动接触应力场出发,考虑残余应力和裂纹面间的摩擦力,对PD3钢轨钢提出了一个简单实用的接触疲劳裂纹扩展模型.计算结果表明,裂纹扩展的有效驱动力随残余压应力及裂纹面间摩擦力的增大而减小,实验结果与理论计算结果基本吻合.