高载作用下的疲劳裂纹闭合与残余应力作用

工程结构经常受到变幅载荷的作用,施加的高载对结构中的疲劳裂纹扩展有明显影响,了解高载作用机理对于随机载荷谱下的裂纹扩展预测十分重要。基于塑性诱导裂纹闭合原理,运用弹塑性有限元法模拟疲劳裂纹扩展。阐述了所采用的裂纹扩展模拟方法及确定裂纹张开和闭合应力的原理,计算获得等K基本载荷循环下的裂纹闭合特性和残余应力分布规律。重点分析在基本循环中插入单个拉伸超载、单个压缩超载和单个拉伸超载后紧跟单个压缩超载等情况下裂纹的张开、闭合应力及残余应力分布随裂纹扩展的变化规律。结果表明,超载在裂尖前方和裂纹尾迹区引起的压缩残余应力是导致裂纹闭合应力水平升高和裂纹扩展迟滞的重要原因。裂纹闭合效应在拉伸超载后瞬时减弱,但会随着裂纹扩展快速上升至超过正常水平;单纯的压缩超载对裂纹闭合的削弱可以忽略不计,但紧跟在拉伸超载之后的压缩超载将导致裂纹闭合效应减弱,削弱拉伸超载下的裂纹扩展迟滞效应。     

喷丸残余应力对裂纹扩展疲劳寿命的影响

为了研究喷丸表面处理对试样疲劳寿命的影响,基于ABAQUS软件建立含喷丸残余应力场的四点弯曲试样有限元模型和考虑裂纹闭合效应的裂纹扩展疲劳寿命预测模型。基于该模型研究了不同应力比及不同喷丸工艺条件下的受喷与未喷试样的裂纹扩展疲劳寿命。结果表明,正应力比越大越不容易产生裂纹闭合从而寿命越短,不同应力比条件下喷丸试样的疲劳寿命均约为相同条件下未喷丸试样的2.5倍;单独喷丸强化对裂纹扩展疲劳寿命的提高作用高于喷丸成形与强化的联合作用。主要是由于喷丸强化产生的残余压应力在距离表层较近的范围大于成形与强化联合作用所产生的残余压应力,且该残余压应力对裂纹扩展疲劳寿命的提高起主导作用。通过预测结果与文献实验结果的对比,验证了本文所建模型的正确性及有效性。     

基于喷丸残余应力场的疲劳裂纹扩展数值模拟

运用有限元软件ABAQUS建立喷丸强化有限元模型,研究冲击速度、弹丸半径、弹丸材料、覆盖率对残余应力场的影响。运用疲劳分析软件Msc.Fatigue建立了疲劳裂纹扩展分析模型,将非喷丸模型和喷丸模型的应力场导入Msc.Fatigue进行疲劳裂纹的扩展分析,比较研究残余应力场对疲劳裂纹扩展的影响。喷丸强化有限元模型的模拟结果表明,适当地增加冲击速度、弹丸半径、覆盖率等喷丸参数可以明显改善残余应力场的作用效果,钢丸喷丸产生的最大残余压应力值比玻璃丸喷丸产生的大。疲劳裂纹扩展分析模型的模拟结果表明,由于喷丸残余压应力场的作用,有效地改善了材料的疲劳性能,构件的疲劳裂纹扩展寿命提高了1.3倍。     

基于喷丸残余应力场的疲劳裂纹扩展数值模拟

运用有限元软件ABAQUS建立喷丸强化有限元模型,研究冲击速度、弹丸半径、弹丸材料、覆盖率对残余应力场的影响.运用疲劳分析软件Msc.Fatigue建立了疲劳裂纹扩展分析模型,将非喷丸模型和喷丸模型的应力场导入Msc.Fatigue进行疲劳裂纹的扩展分析,比较研究残余应力场对疲劳裂纹扩展的影响.喷丸强化有限元模型的模拟结果表明,适当地增加冲击速度、弹丸半径、覆盖率等喷丸参数可以明显改善残余应力场的作用效果,钢丸喷丸产生的最大残余压应力值比玻璃丸喷丸产生的大.疲劳裂纹扩展分析模型的模拟结果表明,由于喷丸残余压应力场的作用,有效地改善了材料的疲劳性能,构件的疲劳裂纹扩展寿命提高了1.3倍.     

考虑残余应力的焊接节点疲劳寿命有限元分析

为研究残余应力对焊接结构疲劳性能的影响,基于热力耦合计算方法建立了热弹塑性有限元模型,模拟T型节点焊接全过程及焊后热处理的温度场与应力场。基于扩展有限元法建立T型焊接节点断裂力学数值模型,将焊接应力场作为初始条件引入模型并分析其对疲劳裂纹动态扩展行为的影响。结果表明,未考虑残余应力时,焊接节点疲劳裂纹向焊缝两端均匀发展,裂纹扩展形式与试验结果不符;焊后热处理可以显著降低焊接产生的高拉伸应力和压缩应力,但对疲劳寿命的增幅较小,仅为6.1%;考虑残余应力后疲劳裂纹扩展路径与试验更为接近,焊接结构有限元模拟应考虑焊接残余应力对疲劳裂纹扩展路径的影响。     

高强度钢随机载荷下裂纹扩展模型

工程结构在全寿命周期内大多都承受随机载荷作用,随机载荷中载荷顺序对裂纹扩展有显著影响．用基于裂纹闭合现象的裂纹扩展模型依次模拟恒幅载荷、过载峰及随机载荷作用下的疲劳裂纹扩展．通过裂纹张开应力反映裂纹闭合效应,将Paris公式计算疲劳裂纹扩展,将有效应力强度因子范围代入Paris公式中计算,并用高强度钢程序块载荷下疲劳实验结果与计算结果比较．结果证明,基于裂纹闭合现象的裂纹扩展模型能很好地模拟随机载荷下的疲劳裂纹扩展,理论计算结果与试验结果相吻合,具有工程实用价值．     

对接焊缝残余应力对疲劳裂纹扩展的影响

研究了平板对接焊缝的疲劳裂纹扩展问题,提出了一种考虑残余应力场重分布的裂纹扩展寿命计算方法.基于Terada提出的焊接残余应力场随裂纹扩展重分布的模型,在裂纹扩展过程中不断更新残余应力引起的应力强度因子和应力比并在此基础上计算构件裂纹扩展寿命.采用该方法分析了某焊接钢板的裂纹扩展寿命,并和不考虑残余应力场重分布的叠加法进行了对比.研究表明,提出的基于焊接残余应力场的疲劳裂纹扩展分析方法更加符合实际情况,可以预测出相对准确的裂纹扩展寿命.     

残余应力对疲劳裂纹扩展的影响

分析了残余应力的产生及其对裂纹疲劳扩展的影响，残余压应力的存在提高了疲劳寿命，残余拉就力则起相应的作用，文中对余应力孔的疲劳特性作了具体的研究和分析。     

交变载荷作用下Ⅰ型裂纹准静态稳定扩展的有限元模拟

本文用二维弹塑性有限元素法分析了交变载荷作用下Ⅰ型裂纹准静态稳定扩展时裂尖前方应力场、应变场的变化和裂纹面的开闭现象;得到了裂纹扩展过程中的闭合应力和张开应力;裂尖塑性区和裂尖反向塑性区与裂纹长度的关系。在文献[1]的基础上,本文分析了扩展裂纹的开闭行为,进而揭示其与静止裂纹的差异。这种差异是由裂纹扩展时残留在裂纹面上的拉伸变形所致。本文详细地讨论了模拟裂纹扩展时,裂尖节点力释放技巧的重要性及其力学意义;并且利用共线双裂纹模型的概念对裂纹闭合现象作了进一步的分析。文中所得到的裂纹扩展时裂尖张开角的结论与文献[2]的实验结果基本一致。     

疲劳裂纹在焊接接头中的扩展及裂纹闭合的研究

焊接接头疲劳裂纹的扩展过程中存在着闭合现象．本文提出了考虑到宏观力学不均匀性时焊接接头的实验及数值分析模型,通过实验及弹塑性有限元法研究了焊接接头疲劳裂纹扩展及闭合现象,分析了裂纹尖端应力分布的变化．结果表明,焊接接头疲劳裂纹的扩展受裂纹闭合的影响,加载过程中裂纹尖端应力过零时对应的外载可作为裂纹张开载荷Pop．同时讨论了力学不均匀性影响疲劳裂纹扩展的本质．     

基于FE/EFG耦合算法的虚拟裂纹闭合法

在裂纹附近区域采用无网格伽辽金(EFG)节点,其余区域采用常规有限单元(FE)节点进行数值离散并求解,获得含裂纹构件的位移场。在裂纹尖端及其附近设置局部辅助有限单元区域,用于求解裂纹尖端处的2个特征参数:裂纹尖端节点力以及靠近裂纹尖端处裂纹面的位移。由这2个参数得到裂纹尖端处的应变能释放率,进而求得相应的应力强度因子,此方法为计算应力强度因子的EFG虚拟裂纹闭合法。数值算例表明,采用EFG虚拟裂纹闭合法能够有效计算裂纹尖端处的应力强度因子。     

倾斜裂纹的应力分布与裂纹面开口位移的关系

由于存在裂纹的机械结构的受力方向未必与裂纹方向相垂直,有必要研究裂纹在混合型应力条件下的应力分布及位移特性,而实际机械结构的形状往往很复杂,直接测得裂尖前沿的应力分布是很困难的.为此,在应力比为零的I型循环应力下制作倾斜角度为45°的裂纹,通过测量裂纹面的开口位移,计算得到了裂尖张开方向的应力分布和滑移方向的应力分布.对实验中试件和裂纹的实际尺寸进行了有限元模拟计算.通过比较实验和模拟计算结果,分析了在混合型应力条件下影响裂纹面开口位移特性的因素.结果表明,裂纹表面的凹凸不平导致的接触会影响裂纹面（特别是裂尖处）的滑移变形;当裂纹张开方向的变形较小时,随着裂纹表面接触面积增加,裂纹滑移方向的变形阻力增大,这种影响表现得更为突出;相反,裂纹表面接触对裂纹张开方向的变形却起到了促进的作用;另外,由于压缩残余应力的作用,疲劳裂纹的张开位移受到制约.     

焊接残余应力场中裂纹闭合模型

潜艇结构内广泛存在复杂分布的焊接残余应力,对焊接结构表面裂纹的扩展有很大的影响.利用权函数方法,结合Newman-Raju提出的表面裂纹在压弯组合应力下的经验公式,计算表面裂纹焊接残余应力的应力强度因子;并利用K相似原理,把表面裂纹问题转换为中心贯穿裂纹问题;利用Newman裂纹闭合模型模拟裂纹扩展,研究残余应力场内的裂纹闭合现象,并实现残余应力场内的裂纹扩展研究.该方法也可以用于随机载荷下残余应力场内裂纹扩展研究.     

焊接残余应力对压力容器疲劳裂纹扩展的影响

给出了焊接残余应力对压力容器疲劳裂纹扩展的影响,采用断裂力学理论分析疲劳行为,引用了裂纹张开率U和有效应力强度因子幅值△Keff的概念.     

大小叶片斜流压气机级性能和流场的数值模拟研究

文章以某高压比斜流压气机级为研究对象,开展三维定常数值模拟研究,初步获取了压气机级性能和流场结构,并与试验结果进行了对比。结果表明,计算总体性能与试验存在一定的差距,计算的流量-压比曲线比试验值向右和向上移动,流量-效率曲线比试验值向右和略微向上移动。对于斜流叶轮,两个叶片通道出口靠近机匣区域均存在低速流团,通道1中低速流团主要由附面层低能流团在哥氏力作用下堆积而成,通道2中的低速流团主要由叶尖间隙泄漏形成。对于文中计算斜流压气机,通道1中的低速流团对诱发流动失稳起主要作用。     

岩石塑性对超深储层裂缝闭合的影响研究

为了分析岩石塑性对生产过程中裂缝闭合的影响,在Herz接触模型基础上,采用Drucker-Prager屈服准则,建立了弹塑性裂缝闭合模型,分析了不同地应力和岩石塑性参数对裂缝闭合行为的影响。结果表明:弹性模量、硬化参数和粘聚力是影响塑性裂缝闭合的关键因素。粘聚力越大,初始屈服应力就越大。硬化参数与弹性模量的比值越大,后继屈服应力越大,裂缝闭合塑性效应越弱。另外,地应力对裂缝闭合也有较大的影响,在裂缝面法向上的正应力越大,裂缝闭合塑性效应系数越高。     

深埋大理岩三轴压缩渐近破坏裂纹扩展特征研究

为深入研究深埋大理岩渐进变形破坏过程中裂纹扩展特征,基于常规三轴室内试验完成数值模拟参数标定,利用PFC_3D^{颗粒流模型对深埋大理岩开展}25MPa、50MPa、80MPa三种不同围压下的裂纹扩展数值模拟试验,根据大理岩加载过程中微裂纹演化状态参数,定义三种特征应力,并据此展开深埋大理岩渐进破坏过中的宏、细观破坏特征及其对应裂纹扩展特征的规律研究。结果表明：(1)。室内试验与数值模拟的应力应变曲线相吻合,峰值应力相差较小,破坏形式与室内试验一致,故数值模拟参数标定合理。低围压下应力应变曲线出现的应力降最为明显,高围压下出现的应力降最小。(2)依据总裂纹、张拉裂纹和剪切裂纹扩展数量演化曲线斜率变化规律,将深埋大理岩渐进破坏过程划分为弹性压缩阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹加速扩展阶段和峰后残余阶段四个阶段,根据裂纹数量定义三个特征应力点。(3)随着围压的增加,深埋大理岩达到起裂应力σ_ci时裂纹从两端开始萌发,加载至损伤应力σ_cd点时向中间扩展,达到峰值应力σ_c点时在宏观破坏面附近扩展、增生,加载至峰值点后70%峰值应力点时最终形成以剪切破坏为主的贯通宏观破坏面。(4)随着围压的增加,裂纹出现的范围更广,贯通性减弱,峰值应力σ_c点处产生的裂纹对宏观破坏产生的影响更为剧烈,峰后残余阶段张拉裂纹发育更明显。