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% 。     

疲劳裂纹扩展中单峰过载引起的残余应力强度因子计算

采用弹塑性有限元方法,模拟由不同过载比单峰过载引起的有限宽板单边裂纹试件裂纹尖端附近的残余应力分布.选用混合高斯模型(正态高斯模型结合高斯指数衰减模型)对沿裂纹方向的残余应力作回归分析,得到残余应力σres与过载应力强度因子Ko1的关系式.在此基础上,利用权函数法计算残余应力强度因子kres,为建立基于裂尖残余应力的裂纹扩展模型创造条件.     

旋压皮带轮的疲劳裂纹扩展寿命计算

基于线弹性断裂力学理论,利用Workbench有限元软件在旋压皮带轮拉应力最大处建立沿周向的初始裂纹的三维有限元模型,计算了该模型的裂纹前缘应力强度因子,得到旋压皮带轮以Ⅰ类为主的张开型裂纹类型结论;接着建立不同裂纹扩展模型,仿真计算得到各裂纹前缘的应力强度因子和应力强度因子幅;根据Paris经验公式和拟合后ΔK-a曲线计算,得到了旋压皮带轮裂纹扩展寿命。该计算裂纹扩展寿命的方法为旋压皮带轮的安全设计提供了一种新途径,具有积极的参考意义。     

双材料界面裂纹应力强度因子计算

建立不同裂纹长度的双材料界面裂纹模型,用有限元软件计算和分析界面裂纹尖端附近的应力场和位移场.利用裂尖前沿应力和裂纹面相对位移分别计算了界面裂纹尖端的应力强度因子K,两种方法计算的K值完全吻合.通过数值分析,给出一种计算双材料界面裂纹应力强度因子K的经验公式.     

两种材料的性质对双材料界面裂纹能量释放率及应力强度因子的影响

在实际工程中,结构往往是由多种材料构成,而裂纹经常在两种材料的界面上扩展.针对双材料界面裂纹,建立相应的计算模型.用能量释放率来描述裂纹的扩展情况,并根据界面裂纹能量释放率解析计算方法对不同的材料性质、外荷载、构件厚度,以及裂纹两侧不同的材料宽度对裂纹扩展时的能量释放率和应力强度因子进行仿真分析,得到了能量释放率和两种材料的弹性模量、外荷载及构件厚度之间的关系变化的曲线,以及裂纹两侧不同的材料宽度和应力强度因子之间的关系.并对界面裂纹和单一材料裂纹的情况进行分析、比较.     

内压作用下弯管环向穿透裂纹应力强度因子分析

应力强度因子是缺陷结构安全评定的必需参数。利用有限元分析软件ANSYS建立了内压作用下弯管环向穿透裂纹模型,以管道外径、管道厚度、纵向裂纹角、裂纹半角、环向裂纹角为参数,对不同参数下的应力强度因子进行了计算。结果表明:应力强度因子与纵向裂纹角θ1无关;应力强度因子随裂纹半角θ的增大而增大;应力强度因子随环向裂纹角θ2的增大先减后增。依据计算结果对参数进行了无量纲化,继而拟合了内压作用下弯管环向穿透裂纹应力强度因子计算关系式。     

T形焊接接头根部裂纹应力强度因子研究

建立T形焊接接头根部裂纹的半椭圆裂纹模型,定义裂纹模型的构形参数以及边界条件,分析裂纹尖端的应力强度因子。采用奇异单元法,通过有限元计算,模拟裂纹尖端的应力奇异性。并通过收敛性检验确定裂纹尖端的单元尺寸。在此基础上,计算裂纹尖端量纲一应力强度因子,并分析其受几何参数影响的变化规律。计算结果表明,对于给定的载荷条件下,不同初始裂纹尺寸时,裂纹尖端的应力强度因子存在一定的规律性,且不同几何参数对应力强度因子的影响程度存在一定差异,因此,对焊接结构疲劳强度研究时需要有一定的侧重点。采用多重线性回归方法拟合仿真计算结果,这些结果为进一步研究T形焊接接头根部裂纹扩展和疲劳寿命预测提供参考。     

铸铁三点弯曲切口梁的抗断裂性能

铸铁类材料裂纹端部的断裂损伤过程区能简化为具有黏聚力的裂纹。为探寻带切口铸铁试件的最大承载力计算方法,用实验机对8种不同切口尺寸的铸铁三点弯曲梁进行加载实验,得到载荷随加载点位移变化曲线;计算各个试件断裂过程消耗功以及相应单位断裂面消耗比能。分别通过实验测得载荷和预制裂纹尺寸及等效裂纹长度,计算应力强度因子和能量释放率。根据黏聚裂纹应力强度因子计算式与双K断裂准则,得到该类材料结构承载力的理论计算数值;并与实验结果进行对比,两者符合良好。     

管道穿透斜裂纹应力强度因子计算

裂纹是引起管道开裂失效的主要原因,裂纹尖端应力强度因子是表征裂纹应力场强度的主要物理量,也是对管道进行安全评估时的主要依据之一,但管道不同于平板,有曲率影响,因此基于平板推导出来的裂纹尖端应力强度因子公式必须进行修正。为了准确计算管道上斜裂纹应力强度因子,建立了不同管道直径、不同裂纹倾角以及不同裂纹长度下的管道穿透斜裂纹有限元模型,并计算了裂纹尖端应力强度因子,在无限大板中心斜裂纹应力强度因子计算公式基础上,修正得到了管道穿透斜裂纹应力强度因子计算公式,这对于含裂纹管道安全评定有重要参考价值。     

三维斜置表面裂纹应力强度因子边界元计算及分析

建立半椭圆表面裂纹模型,并借助边界元分析软件FRANC3D计算不同裂纹面网格划分下裂纹前沿不同位置处的应力强度因子,将计算结果与理论解进行比较,分析裂纹面网格划分对计算结果精度的影响,得出最优网格划分;在此基础上计算两种斜置半椭圆表面裂纹前沿不同位置处的应力强度因子,分析斜置角度和椭圆角对裂纹前沿应力强度因子的影响,对工程实际具有参考意义。     

基于ABAQUS的圆柱直齿轮齿根裂纹扩展与寿命估计

以渐开线直齿轮为研究对象,通过齿轮应力分析确定轮齿裂纹易萌生位置,利用ABAQUS软件建立齿轮裂纹扩展有限元模型,获取齿根裂纹扩展路径,计算不同阶段裂纹尖端应力强度因子.通过多种曲线拟合方式的对比,选取指数函数建立的裂纹长度与裂纹尖端应力强度因子幅之间的函数关系.运用Paris公式构建裂纹扩展速率模型,实现含齿根裂纹齿...     

激光冲击对金属板料裂纹的影响模型

研究了含有裂纹的金属板料在激光冲击波载荷作用下裂纹尖端应力强度因子和裂纹扩展速度的变化,利用断裂力学理论,对激光冲击加载下裂尖参数计算模型进行优化,采用应力强度因子叠加法,将外加载荷引起的应力强度因子和激光冲击后残留的残余压应力引起的应力强度因子叠加,推导出下裂纹尖端应力场强度因子表达式,由此可精确计算出金属板料的裂纹萌生寿命和裂纹扩展速度,实验验证了航空钛合金Ti6Al4V激光冲击后残余应力对裂纹扩展速度的影响,从而建立了激光冲击作用对板料裂纹扩展的影响的理论模型。     

Discussion on calculation of the local flexibility due to the crack in a pipe

The stress intensity factor plays an important role in the calculation of the local flexibility due to the crack in a cracked structure. Many researches on the stress intensity factors in a cracked beam or rotor have been made, but there are some difficulties in calculating the stress intensity factors in a cracked pipe. Maiti et al. obtained the local flexibility due to the crack in a pipe experimentally by deflection and natural frequency methods without calculating the stress intensity factor. In this paper, the stress intensity factor in a cracked pipe can be calculated by dividing a cracked pipe into a series of thin annuli, and a method to calculate the local flexibility due to the crack in a pipe is presented. The experiment results are given to verify the effectiveness of such a method.     

有限加筋板宽度对应力强度因子的影响

基于线性累积损伤理论,分析了含裂纹损伤的加筋板加强筋宽度的不同对裂纹尖端应力强度因子的影响。然后根据分析得到裂纹尖端应力强度因子随加强筋宽度的变化规律。结果表明,随着加强筋宽度的增大,结构应力强度因子的下降幅度逐渐增大,当裂纹尖端离筋条越近时,这种现象越明显。     

基于ANSYS的裂纹尖端应力强度因子研究

通过ANSYS建立焊接接头三区域模型。分别定义了不同的力学性能参数来模拟焊接接头各个区域力学性能的不均匀性,分别计算裂纹处在焊接接头各个区域的应力强度因子。计算结果表明：焊缝应力强度因子最低,母材次之,热影响区最高。说明材料的屈服强度与裂纹尖端的应力强度因子有密切的关系。屈服强度越高,应力强度因子越低。     

Growth simulation for 3D surface and through-thickness cracks using SGBEM-FEM alternating method

An SGBEM-FEM alternating method had been proposed by Nikishkov, Park and Atluri for the analysis of three-dimensional planar and non-planar cracks and their growth. The proposed method is an effective method for fatigue or stress corrosion crack growth simulation. During crack growth simulation, however, an oscillation phenomenon is observed in crack advance or stress intensity factor distribution. If oscillating amplitude in SIF or crack advance does not decrease during next increment steps, the crack growth simulation fails. In this paper several methods are examined to remove the oscillation phenomenon. As a result, it is found that smoothing in stress intensity factor distribution or in crack front geometry can remove or weaken the oscillation phenomenon. Using the smoothing techniques, stress corrosion crack growth simulation is performed for a semi-elliptical surface crack and a through-thickness crack embedded in a plate. Crack front shape and stress intensity factor distribution are obtained after each increment during the crack growth. And the depth and length of a crack are obtained as a function of time. It is noted that the SGBEM-FEM alternating method is a very effective method for SCC growth simulation for a surface crack and a through-thickness crack.     

Evaluation of stress intensity factor for a partially patched crack using an approximate weight function

A cracked plate with a patch bonded on one side was treated with a crack-bridging model using weight function : assuming continuous distribution of springs acting between th crack surfaces, the stress intensity factor of the patched crack was numerically obtained. Especially in the case of a patched crack subjected to residual non-uniform stress, the stress intensity factor was easily with the corresponding approximate weight function. This paper presented the stress intensity factors for a crack partially patched within a finite plate or a patched crack initiated from a notch.     

基于扩展有限元模型的动态应力强度因子计算

为准确计算基于扩展有限元法（XFEM）的裂纹扩展模型中的应力强度因子,在ABAQUS软件中建立中心裂纹平板和三点弯曲的XFEM模型,采用相互作用积分法,通过用户子程序接口分别实现了Ⅰ型、Ⅱ型断裂模式下裂纹扩展过程中应力强度因子的计算;研究了网格密度与积分半径对XFEM模型应力强度因子计算精度的影响规律,研究结果表明：当网格密度因子为0.012~0.016、相对积分半径为3时,应力强度因子收敛至稳定值,计算误差不超过3%。利用所提方法与程序计算了单边带孔疲劳裂纹扩展试样的动态应力强度因子,试验结果表明：基于Paris理论预测的剩余寿命与疲劳试验结果误差为5.3%,进一步验证了所提方法与程序的正确性。     

高速列车锻钢制动盘热疲劳裂纹耦合扩展特性研究

据制动盘裂纹剖面的宏观形貌,发现盘面长裂纹的形成以多条半椭圆表面裂纹连通为主。针对制动盘在运行过程中的典型运用工况,采用有限元法计算制动盘在300 km/h紧急制动后的热应力,发现周向残余应力较大,并以此推测周向残余应力是驱动制动盘热疲劳裂纹扩展的主要原因。在此基础上,建立制动盘盘面的裂纹网格,研究了裂纹扩展过程中的应力强度因子和多裂纹耦合扩展规律。通过研究发现对于给定的载荷条件,不同初始形状比时,裂纹前缘应力强度因子的分布规律存在一定的规律性,随着裂纹的扩展,裂纹形状趋于扁平化;多裂纹扩展时,裂纹间距越小,裂纹间的相互作用越明显,扩展速度越快;但受制动盘结构和尺寸限制,共线裂纹数越多,每条裂纹扩展到临界值时的应力强度因子越小。     

Subsurface crack mechanisms under indentation loading

A linear elastic fracture mechanics analysis of plane-strain indentation of a homogeneous half-space with a subsurface horizontal crack was performed using the finite element method. Stress intensity factor results obtained for an infinite plate with a central crack subjected to far-field tension and a half-space with a frictionless subsurface horizontal crack under a moving surface point load are shown to be in good agreement with corresponding analytical results. Crack mechanism maps illustrating the occurrence of separation, forward and backward slip, stick, and separation at the crack interface are presented for different indentation load positions and crack face friction coefficients. Results for the stresses in the vicinity of the crack tips and the mode I and mode II stress intensity factors are given for different indentation positions, crack face friction coefficients, and both concentrated and distributed surface normal tractions. Although indentation produces a predominantly shear and compressive stress field, mode I loading conditions are shown to occur for certain indentation positions. However, the magnitude of the mode I stress intensity factor is significantly smaller than that of mode II, suggesting that in-plane shear mode crack growth is most likely to occur in the absence of microstructural defects. The significance of crack face friction and sharpness of the indenter on the subsurface shear mode crack propagation rate is interpreted in terms of the mode II stress intensity factor range and material behavior.