基于材料各向异性的整体梁裂纹转折分析

考虑铝合金材料S-T-L方向材料性能的差异,运用Abaqus/Explicit及其子程序VUMAT进行整体翼梁稳定裂纹扩展路径的准静态模拟,研究了整体翼梁结构在进行剩余强度试验时准静态裂纹扩展特性,并与试验结果进行对比。分析结果显示,考虑材料各向异性损伤失效的材料模型可以很好的描述准静态裂纹扩展,并且可以较好的模拟整体梁裂纹在腹板45°转折和筋条附近90°转折。     

航空铝合金弹塑性短疲劳裂纹扩展表征分析

铝合金短裂纹扩展行为与长裂纹扩展行为差别很大,而在铝合金结构中短裂纹阶段占据构件疲劳寿命的90%以上。通过对线弹性裂纹扩展模型进行修正,得到了改进后的弹塑性短裂纹模型,并利用LY12CZ铝合金材料进行验证性实验。结果表明:改进后的模型能够统一表征弹塑性短裂纹和线弹性长裂纹的扩展行为。这拓展了裂纹扩展行为的预测范围,对于铝合金构件的寿命预测和损伤容限评估具有重要的参考价值。     

复杂应力状态下TBM刀盘裂纹应力强度因子分析

为了预测全断面岩石掘进机(tunnel boring machine,TBM)刀盘的疲劳寿命,本文对其裂纹尖端的应力强度因子进行了研究。以某水利工程的刀盘为研究对象,采用基于子模型技术的有限元法分析复杂应力状态下刀盘裂纹的应力强度因子,并给出了不同裂纹参数对应力强度因子的影响规律,为刀盘裂纹扩展寿命的预测提供输入条件。分析表明,当裂纹位置角为45°或135°时,裂纹尖端的等效应力强度因子最大,对结构损伤最严重;形状比对K_Ⅰ值影响最显著,形状比越大,尖端K_Ⅰ值相差越大,在深度方向的扩展趋势也越强;K_Ⅰ、K_Ⅱ及K_Ⅲ值均随裂纹深度的增加而增大,裂纹尖端最深处以张开型扩展形式为主,而表面点则是3种开裂形式并存。     

复合材料层板分层伴以横向裂纹扩展的层间应力分析

本文首次提出了分层伴以横向裂纹扩展的三维有限元模型，对典型铺设的［０２／±４５２／９０２］５碳／环氧复合材料由于其分层伴以横向裂纹损伤产生的层间应力进行了分析。计算结果表明层间裂纹首先在９０°层中部出现并开裂至相邻界面处而产生横向裂纹，横向裂纹的出现引起局部分层接三角形状扩展，并指出分层损伤过程是一个主导性的稳定扩展过程，也是导致刚度下降的主要因素。数值计算结果与试验结果是吻合的。     

单轴压缩下三裂隙黄砂岩力学特性及裂纹扩展试验研究

为了研究单轴压缩下含裂隙黄砂岩的损伤劣化机理,利用伺服压力机对预制断续三裂隙黄砂岩进行单轴压缩试验,并结合高清摄像机录像对试样破坏全过程进行监控,进而分析了不同中心裂隙倾角α对三裂隙黄砂岩力学特性、裂纹扩展规律及破坏模式的影响。结果表明,随着中心裂隙倾角α的增加:(1)三裂隙黄砂岩单轴抗压强度先增大后减小,与完整砂岩试样相比,三裂隙黄砂岩试样峰值强度降低明显;(2)初始裂纹由岩桥区域附近萌生,α=15°、30°时垂直于中心裂隙B,α=45°时发展为连通裂隙AB、BC尖端并与中心裂隙B成一定角度,次生裂纹沿轴向扩展,主裂纹沿试样上下端面及边缘扩展;(3)裂隙砂岩试样的破坏模式由张拉破坏变为劈裂破坏,最后变为剪切破坏。     

计及板厚腐蚀的半潜式平台疲劳裂纹扩展评估

针对半潜式平台疲劳裂纹剩余扩展寿命的计算和预测问题,本文在计及板厚腐蚀的前提下,针对半潜式平台立柱与横撑连接部位的疲劳裂纹进行扩展评估。依照规范选取合适板厚减小系数,利用指数速率模型计算板厚20 a后的腐蚀余量,输入剩余板厚尺寸进行结构整体和局部的响应分析。利用波浪散布数据与传递函数获得离散化的随机疲劳载荷,应用裂纹扩展率单一曲线模型进行裂纹扩展计算,在扩展循环中加入失效评估图FAD进行安全评估,计算得出的裂纹临界尺寸与寿命均比完整板厚下的数值小,而应用单一恒定幅值载荷加载的裂纹扩展寿命比离散化随机载荷加载的数值小。结果表明:在海洋平台结构响应分析中计入板厚腐蚀的影响,利用离散化方式处理随机疲劳载荷与应用FAD进行裂纹扩展安全评估,能提高评估过程及计算结果的合理性。     

不同夹角Y型裂纹混凝土试样破坏特征的研究

为了研究非对称Y型分支裂纹在压缩荷载下的起裂及其扩展规律,对含预制裂缝混凝土试件进行了实验研究和相应的数值模拟研究。试验采用水泥砂浆材料制作的含非对称Y型裂纹的正方形试件,利用自制的3向加载设备进行加载并测得其最大载荷。同时利用ABAQUS软件进行了数值计算,并与试验结果进行了对比分析。试验和数值计算结果均表明:随着分支裂纹与主裂纹之间夹角θ的增大,分支裂纹尖端的Ⅰ型应力强度因子从负值变化到正值,而水平主裂纹的两个尖端的Ⅰ型应力强度因子的绝对值均增大。分支裂纹的Ⅱ型应力强度因子先减小后增加,并在30°~45°之间出现极值。当倾角θ为75°时试件的抗压强度最低,当θ为90°时的强度次之。     

子母弹头螺开舱裂纹扩展机理研究

根据断裂力学基本原理,尝试建立了裂纹扩展方向与材料微观组织参数之间的关系模型,旨在指导头螺新成形工艺的制定,在满足头螺开舱性能的前提下,大幅度提高材料利用率.对现行头螺及其破片进行了宏微观分析,发现开舱是一个裂纹动态扩展过程,主扩展方向与材料流线一致.通过考虑裂纹尖端的塑性区以及对扩展模型进行等效处理,建立了头螺壳体裂纹扩展模型及理论判据,认为当裂纹尖端纵向位移小于流线间距离时,裂纹能够沿某一流线方向进行稳定贯穿.模型计算结果与静爆实验结果相吻合表明,建立的裂纹扩展模型基本合理,可用于指导头螺新成形工艺的制定.     

车轮钢Ⅱ型疲劳裂纹扩展门槛值的研究

利用升载法对车轮钢进行II型疲劳裂纹扩展试验,采用ANSYS软件对II型加载试件建立有限元模型,计算II型裂纹尖端应力强度因子,研究加载力值比R对车轮轮辋Ⅱ型疲劳裂纹扩展门槛值ΔKIIth的影响。结果表明:车轮轮辋II型疲劳裂纹扩展门槛值ΔKIIth随加载力值比R的增加略有降低;在相同R的条件下,ΔKIIth与I型疲劳裂纹扩展门槛值ΔKIth基本相当。     

一种结合UKF的疲劳结构剩余寿命预测方法

针对机械系统中疲劳结构的剩余寿命(RUL)预测问题,提出了一种结合无迹卡尔曼滤波算法(UKF)的RUL预测方法.该方法包括疲劳裂纹性能参数评估和RUL预测两个部分.在性能参数评估部分,通过对Paris疲劳裂纹扩展公式进行离散化,建立了参数状态空间评估模型,并利用传感器获得的实时状态信息结合UKF算法对状态空间评估模型中的疲劳性能参数(C和m)以及疲劳裂纹长度表现出的不确定性进行评估,以避免状态信息不完备、工况噪声等不确定因素对结构疲劳寿命预测的影响;在剩余寿命预测部分,利用UKF算法评估得到的参数结果,结合离散化得到的递推裂纹扩展模型,对结构的剩余寿命进行预测.仿真结果表明:提出的方法能够很好地处理疲劳裂纹扩展模型中疲劳性能参数的不确定性,且在剩余寿命预测上,通过与扩展卡尔曼滤波算法(EKF)进行比较分析,发现所提方法能够更准确地预测结构疲劳裂纹的RUL.将离散的Paris疲劳裂纹扩展公式和UKF算法进行结合,能够有效地提高疲劳结构的剩余寿命预测精度.     

基于缺口分析原理的裂纹扩展速率新模型

针对金属结构疲劳裂纹扩展速率的模型进行了相关研究,提出了一种新的裂纹扩展速率模型。该模型在进行裂纹扩展速率分析时,仅需要考虑名义应力及临界断裂应力,相较于传统的应力强度因子分析方法,该方法更加简单有效。通过应用已有材料Al2024-T351及Al7075-T6的试验数据对该方法进行了曲线拟合,并与现有方法所得到的裂纹扩展曲线进行了对比。结果表明新方法与传统方法获得的裂纹扩展曲线走势大致相同,并且对裂纹发生扩展行为的低速率及高速率区域能够提供更好的描述,证明了新模型具有较强的实用性。     

三维介质中复合型裂纹扩展的断裂准则

断裂准则是评定含裂纹构件或结构的工作状态是否安全的基准和依据。本文从三维介质中复合型裂纹问题的分析入手,考虑裂纹尖端小范围屈服区对裂纹扩展的影响,提出了描述三维介质中任意形状裂纹扩展规律的F_(?)准则和E_(?)准则。这两个准则均与现有的实验资料吻合得很好,而且还有一个较为突出的特点,即能反映Ⅰ—Ⅱ—Ⅲ型复合裂纹和Ⅱ—Ⅲ型复合型裂纹中KⅢ对裂纹开裂角的贡献。这一特点是S准则[1]、MG准则[9]、C判据[10]和W判据[11]等一些断裂准则不具有的。     

用扩展有限元法分析沥青路面表面裂纹二维扩展

本文将一种新型的求解不连续力学问题数值算法——扩展有限元法(XFEM)引入了沥青路面表面裂纹二维扩展分析。扩展有限元法基于单位分解法的思想,它所使用的网格与内部结构的几何或者物理界面无关,因此可以克服例如裂纹尖端等高应力和变形集中区域进行高密度网格剖分所带来的困难。对于裂纹分析问题,裂纹能够完全独立于有限元网格存在,模拟裂纹扩展时完全不需要进行网格重构。本文先对扩展有限元法的基本原理、相应的改进函数以及线弹性断裂力学的相关理论进行了简单介绍。然后利用沥青路面二维平面应变模型,通过数值算例验证了该方法在沥青路面表面裂纹扩展模拟中的适用性和优势,为扩展有限元法在沥青路面裂纹分析中的进一步应用打下了基础。     

低温环境下十字形非传力角焊缝接头的疲劳性能

为了研究低温环境下钢桥焊接细节的疲劳行为和性能,以典型的十字形非传力角焊缝接头为对象,开展室温和?60 °C下的高周常幅疲劳试验;基于三维裂纹扩展数值模拟,分析低温对该焊接细节疲劳裂纹扩展寿命的影响机理. 结果表明,该焊接细节的室温和?60 °C条件下试验S-N疲劳寿命未表现出显著区别,初始焊接缺陷裂纹会在细节焊趾处的多个位置同时扩展;由低温环境导致的钢材断裂韧性的降低不会对该焊接细节的疲劳寿命产生明显影响. 虽然低温会增强钢材抵抗疲劳裂纹扩展的能力,但是该焊接细节的疲劳寿命主要受焊接过程产生的多样化初始裂纹缺陷因素控制;建议采用考虑多裂纹耦合扩展的三维裂纹扩展数值模拟来更加精确地预测疲劳裂纹扩展寿命.     

基于3D-ILC含60°平行双内裂纹脆性巴西圆盘断裂特性

裂纹间的相互作用是断裂力学的重要研究内容,但针对3维内裂纹的扩展规律及相互作用的研究较少。基于3D-ILC技术,在完整巴西圆盘内部制作平行双内裂纹,开展含60°双内裂纹单轴压缩试验,记录裂纹扩展过程,得到裂纹起裂及破坏荷载,分析双内裂纹相互作用下的应力双折射规律、裂纹扩展形态及断口特征。基于M积分及应变能密度因子理论进行数值模拟,揭示K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ的分布规律,实现双内裂纹扩展路径及平行裂纹相互作用模拟,并与试验进行对比。结果表明:1)基于3D-ILC的平行双内裂纹扩展破坏试验规律显著,证明了该技术在多内裂纹相互作用试验研究中的适用性;2)试样裂纹形态主要有上翼裂纹、下翼裂纹、竖直裂纹及贯穿型裂纹,翼裂纹断口光滑区为Ⅰ–Ⅱ型复合裂纹,裂纹侧面为Ⅰ–Ⅱ–Ⅲ型复合裂纹,呈现矛状断口;3)含60°双内裂纹试样破坏荷载为完整试样的17.73%,内裂纹扩展速度与加载力为非线性关系;4)双内裂纹尖端之间存在屏蔽作用,使扩展呈现明显反对称的裂纹形态;5)基于M积分的K分布及基于应变能密度因子理论裂纹扩展路径与试验规律一致。结果为3维内裂纹Ⅰ–Ⅱ–Ⅲ型复合断裂及多裂纹相互作用研究提供了物理试验及数值模拟参考。     

考虑显微组织影响的焊接接头疲劳裂纹扩展寿命估算

本文讨论了焊接头的微观金相组织及其对疲劳裂纹生长率的影响,用标准试样的裂纹扩展速率数据,考虑微观组织的影响建立了疲劳裂纹在不同区域扩展的疲劳模型,并用这些模型编制计算机程序估算了裂纹的扩展寿命。与实验值进行了比较。     

单轴压缩下预制裂纹岩石的数值模拟

为了研究单轴压缩作用下预制裂纹对岩石的力学性能、声发射和能量演化的影响,通过室内试验数据反演PFC2D模型的力学参数,然后在数值模拟的基础上分析不同倾角和长度的预制裂纹对岩石力学特性的影响。结果表明：预制裂纹倾角越大,岩石的峰值应力和峰值应变越大,而弹性模量和变形模量也会随着倾角的增大而增大;预制裂纹长度增加时,峰值应力、峰值应变、弹性模量和变形模量不断减小。在预制裂纹倾角为0°,15°,30°,45°时,微裂纹计数波动较大,在60°,75°,90°时计数较为稳定。预制裂纹倾角为0°,15°,30°,45°,60°时,裂纹以翼型裂纹扩展为主,在75°和90°时,并没有出现翼型裂纹,而是在岩体上出现大量的微破裂,在轴向应力的作用下,这些微破裂逐渐贯通,造成剪切破坏。预制裂纹倾角在0°,15°,30°,45°时岩石内部损伤的出现早于60°,75°,90°的,并且弹性储能极限随着预制裂纹倾角的增大而增大。     

基于ABAQUS二次开发的巴西圆盘断裂机理

针对含中心裂纹的巴西圆盘开裂模型利用ABAQUS进行了参数化二次开发,基于扩展有限元法和最大周向应力准则对试件裂纹扩展进行数值模拟并验证,研究了围压对裂纹扩展以及裂纹尖端应力强度因子和T应力的影响.研究结果表明,试件在预制裂纹尖端发生起裂并沿最大周向应力方向扩展.随着裂纹倾角增大,Ⅰ型应力强度因子逐渐减小,Ⅱ型应力强度因子呈现先增大后减小的趋势,T应力逐渐增大.随着围压数值的升高,试件的断裂韧度增大,T应力增大,而Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子几乎不受影响.     

基于动态贝叶斯网络的变幅载荷下疲劳裂纹扩展预测方法

针对当前疲劳裂纹扩展预测研究中较少考虑不确定因素而导致预测结果偏差大的问题,提出基于动态贝叶斯网络（DBN）的疲劳裂纹扩展预测方法. 以变幅载荷作用下的疲劳裂纹扩展为具体对象,利用统一疲劳寿命预测（UFLP）模型构建疲劳裂纹扩展的物理状态方程;分析疲劳裂纹扩展过程典型不确定因素之间的联系,基于动态贝叶斯网络建立疲劳裂纹扩展动态性能退化模型;采用粒子滤波（PF）推断算法,向动态性能退化模型输入裂纹观测数据,修正预测结果,降低不确定因素的影响. 根据已有的裂纹扩展实验数据,给出具有不确定因素疲劳裂纹扩展预测的仿真算例,结果表明,所提出的基于动态贝叶斯网络的变幅载荷作下疲劳裂纹扩展预测方法较现有方法能够取得更好的预测精度.     

X12CrMoWVNbN10—1—1钢高温裂纹扩展特性分析

裂纹的萌生是汽轮机转子不可避免的问题,而裂纹的扩展对电厂运行产生极大的威胁.X12CrMoWVNbN10-1-1钢在火电领域应用广泛,针对X12CrMoWVNbN10-1-1转子钢高温下的裂纹扩展特性进行了分析:对X12CrMoWVNbN10-1-1钢在620℃下进行了疲劳裂纹扩展试验,对载荷、应力比及频率等参数影响裂纹扩展的情况进行了研究,并结合Paris模型、Forman模型以及C*参数模型,研究了X12CrMoWVNbN10-1-1钢高温疲劳及蠕变-疲劳交互作用下的裂纹扩展速率模型.结果表明,X12CrMoWVNbN10-1-1钢高温疲劳裂纹扩展速率da/dN与载荷水平P及频率f呈正相关,与应力比R呈负相关;Paris公式和Forman公式适合描述X12CrMoWVNbN10-1-1钢高温疲劳裂纹扩展速率,C*参数适合描述其蠕变-疲劳裂纹扩展速率.