分子动力学计算机模拟技术进展

阐述了分子动力学模拟以及进行分子动力学模拟的基本条件及步骤,介绍了国内外分子动力学计算机模拟的研究现状,指出了分子动力学模拟方法应用的进一步发展方向。展望从原子尺度方面出发来研究材料力学的力学行为,特别对裂纹、错位和晶界以及它们的相互作用的研究是可行的。     

X80管线钢焊接接头TEM观察下的断裂行为对比

对X80管线钢焊接接头3个区域的试样在透射电子显微镜（TEM）下进行原位拉伸试验,通过观察各个区域裂纹的萌生与扩展过程,对其微观断裂行为进行了研究和分析。结果表明：母材区中,裂纹萌生扩展主要以多裂纹起裂为主,表现为沿晶扩展的断裂形式,最后造成在切应力作用下的剪切脆性断裂;热影响区内,主裂纹首先在切应力作用下以45°方向起裂,整个扩展过程是主裂纹钝化、位错发射、主裂纹前方无位错区形成、微裂纹形核、主裂纹与微裂纹连接扩展这一多尺度过程不断重复的过程,最后导致准解理穿晶断裂;焊缝区中,从主裂纹分支出多条裂纹,裂纹均以与拉伸轴成45°的方向起裂,表现为沿晶与穿晶混合的断裂模式,最后造成穿晶脆性解理断裂。     

直齿轮弯曲疲劳裂纹的扩展行为预测与分析

以渐开线圆柱齿轮为研究对象,在其齿根部存在初始裂纹的前提下,研究齿根疲劳裂纹扩展特性及其寿命;将齿轮啮合过程的动力学计算等效为多个啮合位置的静力分析,得到不同位置的应力强度因子;根据线弹性断裂力学,将裂纹扩展过程线性等效,以K判据分析裂纹是否发生扩展,根据Paris准则计算裂纹扩展量,采用最大周向应力准则确定裂纹扩展角度,得到整个计算周期的应力强度因子、疲劳裂纹扩展路径及疲劳寿命;采用高频试验台对齿轮进行疲劳试验,得到齿轮的疲劳扩展路径,与有限元计算结果进行对比验证;最后分别分析了初始裂纹的尺度、位置和载荷的不同对疲劳裂纹的扩展及疲劳寿命的影响。     

某机型货舱连接接头的疲劳和损伤容限分析

根据某机型货舱连接接头的结构特点和应力有限元分析结果,针对危险点编制符合货舱门下部两梁之间的连接接头的细节应力谱,采用名义应力法计算得出货舱门下部梁1与梁2之间的连接接头的疲劳寿命。根据疲劳寿命计算结果,建立疲劳危险点区域的裂纹扩展分析模型,进行疲劳裂纹扩展寿命分析,最终验证了此连接接头的疲劳寿命和裂纹扩展寿命满足设计要求。     

基于图像处理的疲劳裂纹扩展长度在线测量方法

为了在金属疲劳裂纹扩展试验中采用直观、准确、可靠的方法获得高精度裂纹长度尺寸,提出了基于图像处理技术的疲劳裂纹扩展长度在线测量方法。首先,采用大尺寸黑白全帧面阵CCD和微距显微镜头对疲劳裂纹扩展过程中的图像进行采集,分析疲劳裂纹的图像形态特征,采用亚像素边缘定位方法对预制裂纹边缘进行检测,求出疲劳裂纹起点位置。然后,对裂纹扩展区域进行图像子区划分,对图像子区采用基于灰度统计数据的自适应分割方法进行裂纹分割,采用单区域增长算法进行二值化裂纹图像连接得到裂纹主干。最后,进行了系统标定和疲劳裂纹长度在线测量试验。试验结果表明：本方法测量精度高、抗干扰能力强、数据稳定可靠,裂纹长度测量精度为0.03mm,满足裂纹扩展试验国际标准的要求。     

宏观--微观多尺度数值计算方法研究进展

主要讨论了三种将连续介质力学和微/纳观理论相结合而发展起来的方法:多尺度连续介质方法、连续介质-分子动力学耦合方法和准连续介质方法.介绍了三种方法的基本思想、基本原理和研究进展.讨论了三类多尺度方法的适用范围,展望了多尺度方法未来的发展趋势.     

轧机油膜轴承锥套接触疲劳损伤的机理分析

研究了油膜轴承锥套与辊颈接触表面在轧制载荷作用下发生微动疲劳损伤的力学机理。在分析油膜轴承油膜压力分布特征的基础上,采用有限元法给出了锥套与辊颈接触区边缘产生接触应力集中和微滑移的分布规律,阐明了弹性结合连接的锥套与辊颈接触表面产生微动疲劳损伤的原因。利用断裂力学裂纹尖端应力场与接触边缘区域应力局部渐近场的等效原则,给出了疲劳裂纹自点蚀处萌生与扩展的力学条件。上述结果为锥套和辊颈的实际损伤状态及模拟试验所验证。     

风力机叶片多裂纹扩展声发射信号的特征识别

针对风力机叶片蒙皮多裂纹难以状态识别的问题,根据裂纹扩展释放能量的过程,推导主裂纹扩展AE信号的表达式,从而明晰了主裂纹扩展的AE信号特性及其与应力变化之间的关联。由于多裂纹扩展AE信号为卷积混合模型,提出一种对具有非平稳、非线性特性的卷积混合AE信号特征提取的方法,以输出信号的广义能量作为目标函数得到盲解卷的滤波器迭代式,采用Godard算法通过输出信号与估计值的误差调整滤波器系数,并根据相似系数选择适当的非线性函数以减少采集设备对AE信号的影响。最后在裂纹扩展试验中,预制不同尺寸的多缺陷,对叶片试件同时施加激振载荷和循环载荷,每间隔一定的循环次数采集不同状态的AE信号,同时采用具有非全局性的瞬时频率和特征尺度来识别多裂纹在不同扩展状态下的特征,从而明晰了信号特征与多裂纹生存状态的关联,形成了识别多裂纹复合材料损伤的评价机制。     

高温构件蠕变损伤与裂纹扩展预测研究新进展

精准的寿命预测是高温构件设计制造与运行维护的关键,但多轴应力和裂纹等缺陷的存在使得寿命预测的难度大大增加。综述了笔者近年来在高温蠕变损伤模型和蠕变裂纹扩展仿真方面的研究工作,主要包括:讨论了应力水平和应力状态对蠕变断裂应变的影响规律;基于幂律蠕变控制孔洞长大理论,提出了新的多轴蠕变延性模型;采用基于应变的损伤力学模型,预测了多种含缺陷结构中蠕变裂纹的扩展行为,并分析了蠕变条件下多个表面裂纹干涉、扩展及合并的全过程;发展了基于晶界孔洞化损伤机制的裂纹扩展分析方法,实现了蠕变疲劳裂纹扩展仿真和蠕变疲劳氧化裂纹扩展仿真。这些工作为建立考虑多轴应力影响的含缺陷高温构件寿命预测方法提供了有力支持。     

铝镁合金断裂三维裂纹扩展数值模拟

建立了铝镁合金在细观尺度下局部区域有多个孔洞(缺陷)的有限元分析模型,采用带有应力三轴度的断裂准则,进行裂纹扩展模拟。模拟结果表明:因为孔洞的存在,初始拉伸阶段就出现了应力集中,应力较大点上的应变会增加很快,导致应力集中带变得越来越窄;随着加载不断的加强,微小裂纹开始产生,小段裂纹开始在外侧两个孔洞边缘形成;随着载荷不断增加,孔洞之间的小段裂纹已经扩展到与孔洞相接,形成了一条大裂纹。通过对不同温度下的裂纹扩展过程进行模拟,分析后得出:随着温度的升高,裂纹扩展的速率减小。     

金刚石印压微孔成形机理与试验分析

金刚石印压成孔是一种新型微孔印压成形方法,在工业中具有重要的应用价值。为了提高金刚石纳米印压微孔的质量,必须先从其成形机理入手开展研究。从宏观力学角度分析了微孔成形的具体过程,采用分子动力学分析方法从微观晶体力学角度分析了印压成孔过程中材料变形和微孔成形规律,预测了孔边沿裂纹的产生,并结合理论分析和印压加工试验进行了验证。结果表明:微裂纹是应力高度集中下位错运动受阻于晶界和其它晶内结构而产生;通过调节压头卸载速率和铜片晶粒尺寸,可有效抑制微裂纹的萌生和扩展,提高成孔质量。     

纳米连接过程的分子动力学模拟研究进展

纳米材料因其特有的结构和性能而得到广泛的应用，纳米连接技术也随之发展起来。在纳米加工领域，虽然有很多先进的显微分析手段，但由于实时观察技术的限制，材料的很多现象和行为很难通过实验进行观测和分析，而分子动力学适用于几纳米到几十纳米的三维空间尺度和纳秒以下的时间尺度，同纳米加工领域很多过程的时间尺度和空间尺度保持一致，因此，利用分子动力学模拟纳米材料性能和连接过程原子的动力学行为是可行的。综述了纳米材料（包括纳米多层膜、纳米线、碳纳米管、纳米颗粒）在纳米连接过程以及连接大尺寸材料过程中的分子动力学模拟研究进展，模拟结果与实验结果基本吻合。结合最新研究进展，讨论了分子动力学模拟在纳米连接应用中的存在问题、解决办法和发展趋势。     

高频谐振载荷作用下Ⅰ型疲劳裂纹尖端力学参数变化规律

为研究高频谐振式疲劳裂纹扩展试验中带有Ⅰ型预制裂纹的紧凑拉伸(CT)试件裂纹尖端力学参数的变化规律,利用动态有限元方法,采用ANSYS和MATLAB软件编写程序,计算了CT试件在高频恒幅正弦交变载荷作用下,在一个应力循环及裂纹扩展到不同长度时裂纹尖端区域的位移、应变场及裂纹尖端的应力强度因子,并分析了其变化规律。在计算裂纹尖端应力强度因子时,首先采用静态有限元方法和理论公式验证了有限元建模和计算的正确性,然后采用动态有限元方法研究了裂纹扩展过程中裂纹尖端应力强度因子的变化规律。最后进行了高频谐振式疲劳裂纹扩展试验,采用动态高精度应变仪测量了裂纹扩展到不同阶段时裂纹尖端点的应变,并对有限元计算结果进行了验证。研究结果表明：在稳态裂纹扩展阶段,高频谐振载荷作用下Ⅰ型疲劳裂纹尖端位移、应变及应力强度因子均为与载荷同一形式的交变量;随着裂纹的扩展,Ⅰ型疲劳裂纹尖端的位移、应变及应力强度因子幅不断增大;静态应力强度因子有限元计算值和理论值的误差为2.51%,裂纹尖端点应变有限元计算结果和试验结果最大误差为2.93% 。     

[表面强化及损伤机理]基于结构整体性评估程序和失效评定图方法的含裂纹缺陷钢轨安全性评定

为了研究不同工作状态下不同尺寸裂纹的扩展临界条件,通过实验得到了安全性评估过程需要的力学参数和断裂力学参量,采用相互作用积分法计算轮轨接触时含表面裂纹钢轨的裂纹尖端应力强度因子,并通过计算有效净截面应力得到参考应力。采用结构整体性评估程序和失效评定图（SINTAP-FAD）方法,根据0级失效评定曲线对含表面裂纹缺陷钢轨分别在车轮静止状态下与运动状态下进行了安全性评定。结果表明：车速对钢轨表面裂纹状态的影响较大,与车轮静止状态时评价点位于安全区的情况相比,列车运动时的评价点多向不安全区域发展,并造成了裂纹扩展。     

多轴非比例加载下疲劳短裂纹扩展速率的探讨

为了揭示出多轴非比例加载下疲劳短裂纹扩展的规律,利用搜寻临界面的方法确定短裂纹的萌生与扩展的方向,在临界面上分析多轴非比例加载与单轴加载下疲劳短裂纹扩展律的相似性,应用载荷的等效原理,类比单轴加载的研究过程,并将力学参数加以修改,导出多轴非比例加载下疲劳短裂纹扩展速率的计算公式。     

基于结构整体性评估程序和失效评定图方法的含裂纹缺陷钢轨安全性评定

为了研究不同工作状态下不同尺寸裂纹的扩展临界条件,通过实验得到了安全性评估过程需要的力学参数和断裂力学参量,采用相互作用积分法计算轮轨接触时含表面裂纹钢轨的裂纹尖端应力强度因子,并通过计算有效净截面应力得到参考应力。采用结构整体性评估程序和失效评定图(SINTAP-FAD)方法,根据0级失效评定曲线对含表面裂纹缺陷钢轨分别在车轮静止状态下与运动状态下进行了安全性评定。结果表明:车速对钢轨表面裂纹状态的影响较大,与车轮静止状态时评价点位于安全区的情况相比,列车运动时的评价点多向不安全区域发展,并造成了裂纹扩展。     

有机玻璃疲劳裂纹扩展定量分析

采用断裂力学方法分析了有机玻璃裂纹尖端应力分布及银纹微纤化断裂机理 ,由此建立的力学模型所得到的疲劳裂纹扩展表达式 ,能较好地拟合有机玻璃疲劳裂纹扩展实验数据。而由裂纹扩展实验数据通过线性回归计算得出的裂纹扩展系数 B和理论门槛值 ΔKth可分别定量描述有机玻璃在中部区和近门槛区的扩展行为 ,且 B值与有机玻璃拉伸性能之间存在确定的函数关系 ,认为这两个参数可作为评估有机玻璃疲劳裂纹扩展行为的基本参量。     

基于有限元法的齿轮齿根裂纹参数计算

建立了齿轮齿根裂纹的二维模型;从断裂力学和弹性力学基本原理出发,与有限元方法相结合,给出了齿轮根部裂纹应力强度因子和裂纹扩展方向的数学计算方法;同时结合算例,运用ANSYS软件计算了应力强度因子和裂纹扩展角的大小。     

解相关路径的裂纹扩展模拟及其应用

化工设备的断裂失效事故多发且危害严重,裂纹扩展模拟分析具有应用价值.裂纹扩展多基于预设路径进行模拟,在较复杂的情况下,裂纹的扩展路径是未知的,对裂纹扩展准确模拟会遇到困难,导致工程应用受到限制.基于扩展有限元法、内聚力模型和连续损伤力学,实现解相关路径的裂纹扩展模拟仿真,并通过一个实际工程失效案例——新氢机排气阀盖断裂失效,对模拟方法进行了应用探讨.结果表明,模拟能够得到潜在的断裂失效发生位置与裂纹扩展路径,且与实际断裂事故基本吻合,对失效分析和事故预防具有指导作用.     

大型空压机叶轮强迫振动分析与裂纹扩展计算

针对某大型空压机叶轮的裂纹失效问题开展了结构动静力学分析，根据关键区域的应力结果对叶轮局部的动力特性进行探讨，确定叶轮结构本身的力学特性是裂纹萌生的关键因素之一。采用有限元法针对叶轮开展强迫振动分析以及裂纹扩展理论计算，分析结果表明：裂纹的萌生与扩展现象基本符合实际产品的情况。对叶轮开展结构改进工作，改进后的叶轮力学性能得到了极大提升，从而提高了叶轮的使用寿命。