疲劳裂纹扩展、合并规律试验研究

为研究两裂纹合并规律 ,验证裂纹合并准则 ,本文设计了裂纹扩展、合并试验的试验方案及有关试件 ,研究具有不同相对位置的的裂纹合并规律。试验结果表明 :裂纹的合并形式与两裂纹的侧面距离有关 ;对于不同的裂尖位置应采用不同的裂纹合并准则     

含多排孔结构的MSD疲劳试验与有限元分析

基于无预制裂纹3排平行孔平板的疲劳试验,对含相似应力水平的多细节结构产生多处损伤(Multiple Site Damage,MSD)的规律进行了研究。为了研究产生MSD结构中裂纹之间的干涉影响,利用Franc2D/L对主裂纹、等长双侧裂纹,等长单双裂纹、单孔等长双裂纹四种开裂模式的裂纹应力强度因子进行了计算分析。计算结果表明:裂纹扩展初期,裂纹主要受到自身开裂孔的干涉影响,四种模式下裂纹的无量纲应力强度因子比较相近;随着裂纹长度的增加,试验和有限元结果都表明了裂纹间的干涉影响显著加快了裂纹的扩展速度。     

共线多孔MSD的干涉影响及裂纹扩展模拟

对无钉载LY12CZ中心单裂纹铝板进行等幅疲劳加载,运用FRANC2D/L进行模拟,所得数值模拟结果与试验结果接近,具有一定可靠性。同时运用FRANC2D/L对多孔等长裂纹、多孔主裂纹、多孔不相邻裂纹、多孔相邻裂纹和单裂纹等五种开裂模式裂纹扩展的应力强度因子分布和裂纹扩展寿命进行分析和计算。结果表明裂纹的干涉作用随裂纹长度的增加越来越显著,并且中心裂纹相对于邻近裂纹扩展寿命偏小。     

20CrMnTi齿轮钢疲劳裂纹扩展试验与数值模拟研究

为了研究20CrMnTi齿轮钢的疲劳裂纹扩展问题,首先,将材料20CrMnTi制成紧凑拉伸试样,在疲劳拉伸试验机上进行载荷比R=0.3的疲劳裂纹扩展试验;然后,应用数值模拟软件Abaqus对疲劳裂纹扩展过程进行数值模拟.结果表明,数值模拟结果和试验结果具有相同的变化趋势,二者的差别在误差允许范围内;数值模拟方法能够很好地描述紧凑拉伸试样疲劳裂纹扩展过程.为20CrMnTi齿轮钢疲劳裂纹扩展过程及疲劳寿命的研究提供了一种有效的试验和模拟分析方法.     

飞机铝合金壁板结构广布疲劳多裂纹扩展与剩余强度研究

随着航空工业的发展,飞机经过长时间服役,其广布疲劳损伤带来的飞机服役可靠性问题日益受到关注。针对飞机铝合金壁板结构开展了疲劳裂纹扩展试验与剩余强度拉伸试验,以及数值仿真研究,并采用塑性区连通准则、表观断裂韧性准则、净截面屈服准则和韧带平均应力准则4种典型的多裂纹连通准则对其剩余强度进行了对比分析。结果表明：随着疲劳裂纹的逐渐扩展,裂纹尖端应力强度因子逐渐增大,裂纹扩展速率逐渐增大。对于含多裂纹的铝合金壁板结构,建立剩余强度与裂纹总长度的关系更能准确体现机身壁板在实际服役过程中的剩余强度变化。与其他3种准则相比,塑性区连通准则可以控制含等长度裂纹与非等长度裂纹的铝合金壁板结构剩余强度的预测结果与试验结果的相对误差在5%以内,是4种准则中预测精度最高的,因此,塑性区连通准则对飞机铝合金壁板结构广布疲劳损伤设计具有良好的指导意义。     

基于有限元方法的裂纹扩展寿命预测

采用有限元方法确定结构的断裂力学参量,并与标准紧凑拉伸试样(compact tension,CT)的理论值相比较,结果表明有限元方法确定结构的断裂力学参量是可行的.以真实构件发动机涡轮盘为例,首先进行该结构的断裂力学分析;然后进行二次开发模拟构件的裂纹扩展,计算断裂力学参量,拟合出其与裂纹长度的函数关系,确定涡轮盘的临界裂纹长度;最后,选取试验确定的疲劳裂纹扩展率模型,完成构件的裂纹扩展寿命预测,通过与试验检测的结果相对比,证明基于有限元方法的裂纹扩展寿命预测是合理有效的.     

脆性材料裂纹扩展的有限元模拟新算法

基于有限元方法的一般原理,利用三角形网格较好的方向适应性,采用刚度退化方法,选取最大拉应力准则作为失效准则,确定候选失效单元,并根据材料的断裂特点,按照本文提出的最大显著准则从中择取失效单元,从而模拟了脆性材料单裂纹在拉伸载荷作用下的扩展路径,同时也分析了网格尺寸对裂纹扩展模拟的影响。该算法不仅避免了网格重构所需计算量,同时也极大地减少了总体刚度矩阵生成的工作量。数值试验结果表明,该方法能较准确地预测裂纹扩展路径。     

2219铝合金搅拌摩擦焊接头的裂纹扩展行为

为研究2219铝合金搅拌摩擦焊接头的裂纹扩展行为,首先对搅拌摩擦焊接头进行常规拉伸试验和裂纹延性扩展试验,分析了接头各区的P-V曲线和不同裂纹扩展长度下的裂纹尖端张开角(CTOA),讨论了裂纹扩展抗力以及裂纹扩展的方向。结果表明:在试验条件下,接头各区的抗裂纹扩展能力均高于母材的,焊缝中心、前进侧和回退侧热机影响区的抗裂纹扩展能力无显著差异;接头组织和力学性能的不均匀使裂纹扩展方向具有不稳定性,前进侧热机影响区的裂纹在扩展过程中具有跨越焊缝扩展的趋势,焊缝裂纹在扩展过程中会向回退侧热机影响区偏转,回退侧热机影响区和母材裂纹扩展的偏转角度较小。     

非共线复合型裂纹扩展特性分析

以带多点损伤的空孔板为研究对象,利用数值分析法分析裂纹起裂位置和裂纹倾斜角对应力强度因子的影响,对比了共线多裂纹与非共线复合型裂纹起始扩展速率和扩展寿命的差异。结果表明:非共线复合型裂纹起始扩展速率偏大,裂纹扩展寿命缩短约2.5%。在非共线复合型裂纹模型中,随着裂纹倾斜角增加,等效应力强度因子先增大后减小,且在15°时,整体裂纹扩展速率达最大值。相邻孔间裂纹的相对位置和相对方位影响裂纹的扩展路径,进而影响裂纹扩展寿命。     

含双裂纹齿轮副轮齿裂纹扩展寿命分析

裂纹扩展是齿轮传动的主要故障,而且裂纹所处位置对裂纹扩展行为作用明显。为探讨齿轮副轮齿裂纹位置与裂纹扩展寿命的关系,提出几种相邻轮齿含分度圆裂纹和齿根裂纹的双裂纹齿轮副模型,基于ABAQUS建立齿轮副的三齿啮合有限元分析模型,分析不同载荷作用下分度圆裂纹和齿根裂纹尖端的主应力值和应力强度因子值;结合Pairs方程探讨分度圆裂纹扩展和齿根裂纹扩展寿命之间的关系。结果表明:齿轮副单齿啮合时的裂纹尖端应力比齿轮副双齿啮合时的裂纹尖端应力大,而且裂纹尖端的弯曲应力明显大于剪切应力;同一载荷同一裂纹深度时,齿根裂纹尖端的应力强度因子值大于分度圆裂纹尖端的应力强度因子值;相同加载时,含齿根裂纹齿轮的裂纹扩展寿命小于含分度圆裂纹齿轮的裂纹扩展寿命;裂纹扩展过程中,齿根裂纹深度和分度圆裂纹深度之比非定值,而且深度之比与载荷无关。     

Experimental and numerical study on the burst pressure of steam generator tubes with L- and U-type through-wall combination cracks

Several nuclear power plants have reported that they often experience through-wall combination cracks consisting of longitudinal and circumferential cracks in the steam generator tubes. In this study, L- and U-type through-wall combination cracks in a steam generator tube were evaluated using the crack opening angle (COA) in an elastic-plastic analysis. The calculated burst pressures were also compared with the experimental results. In the procedure, the stress intensity factor (K _I) in elastic analysis was reviewed to validate COA as an appropriate fracture parameter for the burst pressure of longitudinal through-wall cracks and T-type through-wall combination cracks. From the results, an appropriate length-based burst criterion by using COA can be used for a structural integrity assessment for the through-wall combination cracks in steam generator tubes.     

疲劳短裂纹的损伤特征和计算机模拟

对一种焊接用低碳钢的实验研究表明，疲劳短裂纹萌生了铁素体晶粒区域的滑移带，短裂纹数密度随疲劳周次不断增加，短裂纹的取向与所在铁素体晶粒的滑移位向相关。以所观察到的短裂纹特征为背景，用计算机模拟短裂纹萌生，扩展，汇合的演化过程，模拟结果显示，短裂纹损伤导致断裂的临界指数具有很宽的分布带，面裂纹路径具有较稳定的分维数值。     

高温疲劳短裂纹萌生与扩展的实验研究

对2．25Cr-1Mo合金钢进行高温疲劳表面短裂纹的观测试验，采用中断试验和复膜方法观测短裂纹萌生扩展的演化过程，研究短裂纹数密度和平均长度随循环次数及载荷条件的变化特征。结果表明，高温疲劳损伤是由晶界孔洞开始的，晶界孔洞相互联结合体形成细观组织短裂纹；短裂纹在接近应力轴垂直方向的晶界上随机萌生和扩展；在寿命前期和中期疲劳损伤以裂纹萌生为主要形式，寿命后期由于裂纹数目增多，裂纹间合体效果增强，促使主裂纹迅速形成和长大，从而导致最终的疲劳失效；加载应变范围越大或温度越高，裂纹萌生和扩展越快，寿命越短。     

老龄飞机多部位损伤结构的剩余强度研究

对老龄飞机的多部位损伤壁板进行剩余强度估算时,应同时考虑裂纹间的相互影响和裂纹的扩展问题。基于Dugdale型裂纹的Swift连通准则,结合扯裂断裂准则,论文提出了应用应力函数交互迭代方法来研究MSD壁板的剩余强度问题,并做了算例阐明。本文所提方法的分析结果与试验值相比平均相对误差和标准差分别为-1.46%和0.069,符合得较好。     

基于GTN模型的冷轧硅钢边部裂纹扩展研究

针对硅钢板容易在冷轧过程中形成边部裂纹,使用Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)微观损伤模型对带有边部微小缺口的硅钢板在冷轧过程中损伤分布以及裂纹的萌生和扩展进行研究。通过拉伸试验和扫描电镜观察分析得到材料的损伤参数f0、fc和fF,进而通过有限元软件ABAQUS模拟得到各轧制工艺参数对缺口尖端区域损伤分布及微裂纹萌生与扩展的影响,仿真与试验结果表明,在缺口尖端形成两条损伤带,最大损伤值随着压下率的增大而增大,同时裂纹长度随着压下率的增大而迅速增加;当工作辊半径较小时更加容易出现裂纹;沿着轧制方向缺口前侧的比后侧更容易产生裂纹,两侧的裂纹长度都随着摩擦因数的增大而增大;裂纹长度会随着张力的增大而明显增大。研究结果为轧制工艺参数的选择提供理论依据和参考。     

Numerical investigation of the stress field near a crack normal to ceramic-metal interface

Ceramic-metal interfaces are often present in composite materials. The presence of cracks has a major impact on the reliability of advanced materials, such as fiber or particle reinforced ceramic composites, ceramic interfaces and laminated ceramics. The understanding of the failure mechanisms is very important, as is as the estimation of fracture parameters at the tip of the crack approaching an interface and crack propagation path. A cracked sandwich plate loaded with axial uniform normal stress was numerically investigated using plane strain Finite Element Analysis. The numerical results for the singularity orders were compared with the analytical solution. The influences of the material combination and crack length on the radial and circumferential stresses and displacement distributions were investigated. The Stress Intensity Factors were determined based on numerical results using a displacement extrapolation method. The results for the non-dimensional stress intensity factors show that at lower crack lengths the influence of material mismatch is lower, but this influence increases with increasing crack length.     

点焊接头疲劳损伤过程中的固有频率变化特性研究

利用有限元模拟和动态响应实验对单点点焊接头的疲劳过程中固有频率变化的特性进行研究.结果表明,三维有限元模拟与实验结果相吻合,能较好地模拟点焊接头在两种疲劳裂纹萌生和扩展的过程中频率的变化情况.并利用所模拟的裂纹长度和固有频率的关系,总结出最适宜对疲劳损伤进行研究的模态阶数.     

锻件内部脆性夹杂物边界裂纹锻合的应力条件

大型锻件内部脆性夹杂物边界裂纹是影响大型锻件疲劳寿命与冲击性能的主要缺陷。热锻变形过程中,脆性夹杂物周围区域的应力场是影响边界裂纹闭合的主要因素之一。为研究应力场的影响,给出平均相对球应力的定义及其数学表达式,并借助数值模拟研究不同应力场的平均相对球应力对脆性夹杂物边界裂纹的影响。结果表明,只有当脆性夹杂物周围区域的应力场的平均相对球应力代数值小于其临界值,并产生一定大小的变形量,才能使脆性夹杂物边界处的原生裂纹锻合。利用专门设计的试件和型砧,在Gleeble-3180热模拟试验机上进行热压缩变形试验,扫描电镜上观察压缩后试件内部脆性夹杂物边界裂纹的情况。试验结果支持数值模拟结果。     

Study of dynamic crack propagation in 3PB steel specimens loaded by impact

Crack propagation in ductile steel was investigated using impact-loaded three-point bending (3PB) specimens. Results from experiments and numerical simulations were compared. The specimens were 320 × 75 mm by 10 mm thick. A new 3PB specimen design with reduced width at the ends was developed to avoid the influence of uncertain boundary conditions at the impact heads. One static and two dynamic tests with impact velocities of 30.2 and 45.2 m/s were performed. High-speed photography was used to obtain crack growth and crack tip opening displacement data. Moiré interference patterns were used to directly measure the relative rotation of the two specimen halves. Shear lip fracture surfaces were obtained for all three loading conditions. The experiments indicated no, or only a slight, loading rate influence on the crack propagation.     

三维应力状态下高温低周疲劳表面短裂纹实验研究及数值模拟

依据16MnR材料三维应力状态下高温低周疲劳表面短裂纹的实验分析结果，提出了一种表面随机分布短裂纹群体演化行为模型。模型考虑了材料细观组织、细观结构影响及裂纹之间的相互作用，并用该模型对16MnR材料表面疲劳短裂纹群体演化全过程进行了数值模拟分析，结果表明模拟结果与实验结果基本一致，该模型能有效地用于短裂纹的模拟。最后提出微观短裂纹萌生驱动力与扩展驱动力概念。