金属构件中裂纹的电磁热效应局部跨越止裂

采用理论分析和实验研究的方法讨论了应用电磁热效应对金属构件中裂纹实施局部跨越止裂的技术.在带有裂纹的模具钢构件上取样,对裂纹处通过点电极进行局部跨越脉冲放电.实验研究和理论分析结果均表明;跨越止裂可以使导体中局部裂纹在裂纹尖端处很小的范围内熔化形成微小的焊口,实现了钝化止裂,遏制了裂纹的扩展.通过对止裂后裂尖的金相组织观察和力学性能测试发现;超细化的条状马氏体、极少量残余奥氏体和细颗粒碳化物的出现极大地提高了裂纹尖端的硬度、韧性和耐磨性.     

阶跃递增电流作用下导电薄板中的裂纹止裂效应

研究了在带有有限长裂纹的无限大导电薄板中,垂直裂纹通入阶跃递增电流的情况下,裂纹尖端处的电磁场和温度场。给出了裂纹尖端温度的计算方法和算例。指出适当调整阶跃电流的变化值和阶跃次数,可使裂纹尖端处熔化形成焊点,从而遏制了裂纹的扩展。     

轴对称金属模具电磁热裂纹止裂温度场的分析

选择带有半埋藏环形裂纹的金属凹模为研究对象,通过金属凹模内外环面均匀通入强脉冲电流,应用电磁热效应实现了金属凹模中环形裂纹的止裂。采用复变函数的方法求解了脉冲电流放电瞬间裂纹尖端附近的温度场。由于脉冲电流放电瞬间,裂尖处电流绕流的热集中效应,在金属凹模内部,环形裂纹尖端金属的温升超过熔点,金属熔化,在金属凹模内部沿着环形裂纹尖端形成堆焊,致使环形裂纹尖端的曲率半径瞬间增大,阻止了干线裂纹源的开裂趋势。     

含圆形埋藏裂纹金属构件电磁热止裂时应变能密度分析

对带有圆形埋藏裂纹金属构件在脉冲放电瞬间的应变能密度进行了理论分析。在求解过程中,以张开型裂纹为例,应用了热传导、非定常热应力及汉克尔变换等理论知识,得出了含埋藏圆片裂纹在脉冲放电瞬间的温度场理论公式、热应力场公式和应变能密度公式。由热应力场公式和应变能密度公式可知,放电瞬间电磁热在裂纹尖端形成热压应力场,热压应力对金属构件做负功,减小了拉应力对构件的破坏程度,放电后构件的应变能密度降低了。以Cr12MoV模具钢中埋藏圆裂纹止裂为例,具体计算了脉冲放电前后不同拉应力作用下的应变能密度变化情况,为空间裂纹电磁热止裂技术的实际应用提供了理论基础。     

载流薄板中裂纹形成瞬间尖端附近的热电磁场

给出了载流无限大薄板在形成裂纹的瞬间,尖端区域附近的电流密度以及由于集中效应而产生的焦耳热源功率表达式。在此基础上,通过对热传导方程求解温度场,得到了裂纹尖端区域的温度表达式．通过算例分析证实了：在电磁场作用瞬间,由于裂尖处的热集中效应,能够使其在附近一定范围内熔化形成微小焊口．从而可达到阻止裂纹扩展的目的。     

带有空间裂纹的拉伸试件电磁热止裂及机械性能测试

首先应用ZL-2超强脉冲电流发生装置对带有预制裂纹的标准拉伸试件进行脉冲放电止裂。放电后裂纹尖端熔化形成堆焊和高压应力区,使裂纹尖端钝化,达到了止裂的目的,采用数值模拟确定了止裂工艺参数。对止裂后的拉伸试件通过微机控制电子万能试验机进行了拉伸实验,研究结果表明:电磁热裂纹止裂有效提高了试件的抗拉强度,放电电压是影响其机械性能的最主要因素。     

载流金属材料裂纹尖端电磁应力的数值模拟

用数值模拟方法研究了金属裂纹尖端电磁应力的分布情况,给出了电流分布、磁场分布和电磁应力的分布.模拟结果表明,金属材料裂纹尖端受的电磁应力是最大的,并且这个力的大小随着电流密度的增加而增大,裂纹尖端的电磁力指向金属的内部.通过具体算例表明,在金属能承受的电流密度下,金属材料裂纹尖端的电磁应力约能达到1MPa的数量级.因此,在研究电磁场处理金属裂纹时,不能忽略电磁应力.     

热处理数值模拟技术的研究进展

制造业的发展可提升一个国家的综合竞争力,其中金属材料发挥了重要作用.而热处理作为改善金属材料使用性能的重要基础工序,存在影响因素多、研发周期长的问题.因此,优化工艺,缩短周期,提高效率和质量是十分必要的.传统的热处理工艺,多凭经验而定,具有一定的盲目性、成本高和效率低等缺点.计算机与热处理技术的结合打破了这一瓶颈,使热处理过程"可视化"—可以观测到工艺参数对组织、性能的影响,使工艺优化有据可依,节省了大量能源及时间,缩短了研发周期,提升了生产效率.此外,还可实现对热处理相变机理的研究,深入分析相变对使用性能的影响.目前,在热处理模拟方面,应用较多的模拟方法主要有有限元法、蒙特卡罗法、元胞自动机法和相场法,它们在模拟中各有千秋.有限元法以耦合多场的优势侧重于探索热处理工艺参数的影响,目的是优化热处理工艺,解决工程实际应用问题.后面三种方法主要是针对相变机理的研究,其中蒙特卡罗法和元胞自动机法更多用来模拟相变过程中的形核位置及晶粒长大现象;相场法多模拟相变的介观形貌,探究相变的演变过程机理.本文对这几种模拟方法在热处理方面的应用现状进行了总结介绍,并对比了这几种方法的优缺点,为研究人员选用模拟方法提供参考依据.重点分析了有限元法在热处理数值模拟中的应用,在此基础上对热处理数值模拟的未来发展进行了展望,指出基于有限元算法的跨尺度多场耦合集成计算将是未来发展方向之一.     

坡面风沙运动的风洞实验及数值模拟

目前对近地层风沙流的理论与数值模拟研究都是在理想情况,如定常风速、平坦沙面等给定条件下对风沙流进行模拟研究,使得现有的风沙跃移运动理论与数值模型还远未能够达到准确预测野外实际情况下的风沙流运动的程度。该文进行了在坡面地表下风沙运动的风洞实验,在此基础上建立了坡面地表下的风场-沙粒相互耦合的风沙跃移运动模型,并对该风场-沙粒相互耦合的风沙跃移运动模型进行了求解。计算时采用有限体积法来求解Navier-Stokes 方程,地表形态采用阶梯网格进行逼近,结果表明数值模拟结果与风洞实验结果吻合良好。该文还详细讨论了坡面地表下沙粒跃移运动特征,如坡面不同位置处输沙率沿高度的分布、风速沿高度分布等。     

玻璃表面裂纹扩展的数值模拟

在玻璃上预制可控表面裂纹，测得裂纹沿长度方向的扩展数据，利用裂纹扩展阻力轴曲线，对表面裂纹的扩展作数值模拟，得到裂纹深度和深长比数据，为了解表面裂纹的扩展过程提供依据。     

加载历史和裂纹闭合对疲劳裂纹扩展行为影响的数值模拟

采用不同应力比条件下的16MnR钢紧凑拉伸试样,设计了三种有限元分析模型,即不考虑加载历史效应的静态裂纹扩展模型,同时考虑加载历史和裂纹闭合的动态裂纹扩展模型以及仅考虑加载历史的伪动态裂纹扩展模型,对疲劳裂纹闭合过程、裂纹尖端的应力-应变迟滞环、疲劳损伤和裂纹扩展速率进行了数值模拟与分析,进而着重探讨了加载历史和裂纹闭合影响疲劳裂纹扩展行为的交互作用机制。结果表明：对于同类分析模型,应力比越大越不容易产生裂纹闭合;而在应力比相同的情况下,加载历史引起的残余压应力对裂纹闭合有明显的促进作用。裂纹闭合效应阻碍了平均应力的松弛,减小了裂纹尖端附近的应力-应变场强度、疲劳损伤和裂纹扩展速率,而加载历史引起的残余压应力则加快了平均应力的松弛和抑制了棘轮效应。与实验结果比较发现,只有同时考虑了裂纹闭合效应和加载历史影响的动态裂纹扩展模型,才能对疲劳裂纹扩展行为进行准确、定量的模拟。     

导向孔对两爆破孔间成缝过程影响的数值模拟

在爆破中,控制裂纹扩展的方法之一是在装药孔之间开挖导向孔,促使裂纹的扩展贯通。炸药在爆炸时,产生的载荷包括爆炸应力波和爆生气体压力。基于这一认识,研发了爆破损伤的数值模拟系统,并对有机玻璃试样中两炮孔同时起爆时孔周裂纹的萌生、扩展过程进行模拟,探讨了无导向孔、有一个圆形导向孔和有一个带切割槽的导向孔3种情况下裂纹的扩展规律。数值模拟结果与室内试验结果相吻合,这一方面证实了在装药孔之间开挖带切割槽导向孔对控制裂纹扩展的有效性,同时也验证了该文提出的爆破损伤模型的可行性。     

基于凝固进程数值模拟的铸件裂纹预测方法

根据凝固层内应力表达式及裂纹萌生部位的判别准则,对生产条件下的φ800铸钢车轮裂纹进行了预测,并用常规的热弹塑性方法计算的结果及剖面低倍组织形貌进行了评价,结果表明:预测裂纹与计算和实测情况吻合;裂纹沟槽出现在距表面凝固厚度的2/3处,它与缩松、缩孔及组织缺陷没有必然的联系;控制铸件表面温度的工艺措施是减少裂纹的有效途径.     

全级配混凝土I型裂缝扩展全过程数值模拟

该文将起裂断裂韧度作为裂缝扩展的判定依据,应用ANSYS软件,对全级配混凝土I型裂缝扩展过程进行数值模拟,分别计算了混凝土楔入劈拉试件的荷载-裂缝口张开位移曲线、临界裂缝长度和双K 断裂韧度,并与溪洛渡大坝的断裂试验结果进行比较,吻合良好。同时,结合试验数据,将该文计算结果与《水工混凝土断裂试验规程》规定的标准尺寸试件断裂参数计算结果进行对比。结果表明：规程规定的方法也适用于大尺寸非标准试件双K 断裂参数的计算,其误差率在5%以内。此外,对于全级配混凝土,只要通过试验测得其弹性模量、抗拉强度、抗压强度和起裂荷载,即可用该文提出的方法计算混凝土的双K 断裂韧度和裂缝扩展全过程。应用该方法还可以得到全级配混凝土的K_R阻力曲线。     

水工混凝土弥散型裂缝数值模型中开裂判据的研究

重大水利工程中,混凝土结构多处于高水压环境,坝体或多或少存在着裂缝,然而大部分开裂的混凝土坝仍能够安全运行,从而引申出是否可以允许混凝土结构出现裂缝,多大的裂缝才不至于引起破坏,以及用怎样一个合理的指标来对混凝土开裂程度进行描述评判的问题。该文以等效塑性应变表征混凝土弥散型裂缝模型数值模拟中的开裂破坏,通过混凝土单轴拉伸数值模拟,并根据试验资料及相关文献,建立了等效塑性应变与主拉应变、裂缝宽度之间的关系,得到对应于“有害裂缝”的等效塑性应变值。将方法和成果运用到混凝土重力坝的开裂研究中,具有较好的实际工程意义。     

热电制冷系统的非稳态温度场数值模拟及其冷端温度的分析

热电制冷时由于电场与温度场的耦合作用，很难求得实际运行工况下的解析解，从而阻碍了对它的非稳定状况的分析，另一方面又制约了它在实际中的应用。通过对热电制冷系统的非稳态温度场数值模拟，较详细分析了非稳态状况下对冷端温度的影响因素，以能在此领域作初步的探索。     

内燃机气缸盖瞬态温度场数值模拟

分析了内燃机不稳工况的热负荷及测点在起动、突然加载工况的温度变化规律,进而得出边界条件的变化规律,由此用有限元法对缸盖温度场进行数值模拟,模拟结果与实测基本吻合．该分析方法具有通用性,温度场结果可为计算热负荷提供依据．