半椭圆表面裂纹应力强度因子的有限元计算分析

半椭圆表面裂纹在航天和压力容器构件中非常普遍,该类裂纹容易导致严重事故。因此对于表面半椭圆裂纹的应力强度因子评估十分重要。目前并没有准确计算这类问题的方法。文章对半椭圆表面裂纹应力强度因子的计算进行了有限元分析,并通过实例建模计算,将数值计算结果和试验计算结果进行了比较。     

金属基陶瓷涂层弹性模量和界面断裂韧度

对双面涂层三点弯曲试验方法进行了改进(两面涂层不必等厚度),基于该理论对一种铁基陶瓷涂层进行了试验研究,并与单面涂层的三点弯曲试验结果进行了比较.结果表明,随涂层厚度的增大,弹性模量增大.分析认为,一方面涂层越厚,测量精度越高;另一方面涂层厚度增大,孔隙率降低,使得弹性模量增大.研究发现涂层弹性模量与喷涂方向有关,呈现了各向异性的特性.文中还介绍了测量涂层/基体界面断裂韧度的研究进展,着重介绍了测量界面临界应变能量释放率的四点弯曲试验、改进的拉伸试验方法以及采用威布尔应力评价界面强度的局部法.     

复合金属基/陶瓷涂层的应力分析

为了分析弯矩作用下金属基/陶瓷涂层应力分布情况,利用有限元分析软件建立计算模型,并计算不同涂层厚度和不同涂层弹性模量比条件下的拉应力和剪应力分布.计算结果表明:弯曲中心部位涂层的失效主要是由于拉应力所造成的,且拉应力值随涂层弹性模量的增加而增大,随涂层厚度的增加而减小;两端部位涂层的失效主要是由于剪应力所造成的,且剪应力值随着涂层弹性模量和涂层厚度的增加而增大;中间过渡涂层的存在可有力地减缓涂层到基体的应力变化梯度.     

用有限元法求解三维裂纹的应力强度应子

利用ANSYS有限元计算软件,对材料的三维裂纹进行建模,利用ANSYS自带的应力强度因子的计算功能,对裂纹尖端的应力强度因子进行计算,实现一种对三位裂纹建模和计算其尖端应力强度应子的新思路.     

基于ANSYS含裂纹曲轴应力强度因子的计算

采用ANSYS有限元软件,在内燃机曲轴——轴承系统动力学与摩擦学耦合分析的基础上,通过对曲轴动应力分析,确定了裂纹的启裂部位.运用有限元法计算了不同裂纹深度下的等效应力强度因子并得出其变化规律.计算结果表明,等效应力强度因子与发动机点火顺序密切相关,其峰值随裂纹深度的增加而增大.     

油膜轴承衬套表面裂纹对应力强度因子的影响

衬套作为油膜轴承的主要承载件之一，由于其制造工艺原因，其表面裂纹缺陷容易发生在焊缝连接处。根据断裂力学原理，零件的失效为裂纹处应力集中裂纹扩展导致。针对衬套零件的外圆焊缝处的表面裂纹进行建模，通过有限元分析方法模拟研究衬套外圆表面裂纹在受载状态下，三种不同类型裂纹的应力强度因子。其中裂纹类型定义为椭圆形裂纹，裂纹长轴(裂纹长度)定义为50 mm,裂纹短轴(裂纹深度)定义为20 mm。Ⅰ型裂纹(张开型裂纹)应力强度因子SIFS(K₁)最大为72.3 MPa·mm^0.5;Ⅱ型裂纹(滑开型裂纹)应力强度因子SIFS(K₂)最大为0.7 MPa·mm^0.5;Ⅲ型裂纹(撕开型裂纹)应力强度因子SIFS(K₃)最大为0.11 MPa·mm^0.5。通过有限元模拟可知，衬套表面裂纹中Ⅰ型裂纹的应力强度因子占据主导地位。通过将衬套表面裂纹参数化，模拟计算可知衬套表面椭圆形裂纹参数变化时对Ⅰ型裂纹应力强度因子的影响规律。该规律为衬套表面裂纹对其性能的影响提供了科学精确的定量判...     

海底悬跨管道表面裂纹应力强度因子分析

为了分析海底悬跨油气管道外表面环向裂纹应力强度因子在不同载荷条件下的变化情况,以X60管道为研究对象,采用ABAQUS有限元软件与1/4节点位移法,通过改变管道悬跨长度、海流速度、裂纹形状等参数大小,分析各参数变化对裂纹应力强度因子的影响,得到了应力强度因子的变化规律;通过改变管道内压波动幅值并应用Paris应力强度因子理论,分析了压力波动对裂纹应力强度因子的影响,得到了应力强度因子幅度值的变化规律以及能确保管道安全运行的压力波动范围;结果显示:裂纹深度越大,应力强度因子极大值位置将在裂纹形状越小时发生改变;压力波动范围越广,对管道影响越大,裂纹扩展速度越快。     

焊接接头界面裂纹应力强度因子的数值分析

建立了一种新型界面裂纹尖端奇异单元模型,该单元能真实地反映界面裂纹尖端的奇异性状况.将奇异单元与全域杂交元结合,分析对接焊接接头界面裂纹,考察了裂纹长度和母材与焊接材料不匹配程度等因素对应力强度因子的影响.结果表明,在拉伸载荷作用下,两母材弹性模量差异很大时,剪切应力是接头破坏的主要因素;焊接材料的弹性模量较大时,界面裂纹的应力强度因子几乎不受焊接材料弹性模量的影响.     

基于ANSYS的TRIP钢疲劳裂纹应力强度因子计算

利用有限元软件(ANSYS)对相变诱发塑性(TRIP)钢板的疲劳裂纹尖端应力强度因子进行了数值模拟计算,并将数值计算结果与理论计算结果进行了比较。通过比较表明,用ANSYS求解的TRIP钢板的断裂强度因子是比较精确的。     

喷涂层对十字接头焊趾裂纹应力强度因子的影响

利用有限元分析软件ANSYS分别建立了非承载十字接头焊趾裂纹的二维和三维断裂模型,并计算了焊趾裂纹尖端的应力强度因子.分析了等离子喷涂层弹性模量对裂纹尖端应力强度因子的影响,以及裂纹尺寸对裂纹尖端应力强度因子的影响.计算结果表明,等离子喷涂层使焊趾裂纹尖端应力强度因子明显降低.对于确定的裂纹尺寸、形状,裂纹尖端的应力强度因子随涂层弹性模量的增加而降低.当Ec/Ep=0.6,二维模型中a/t=0.125时,喷涂后裂纹尖端应力强度因子降低了62.5%;三维模型中a/t=0.125,a/c=0.2时,喷涂后裂纹尖端的应力强度因子降低了42.6%.     

Young's modulus and stress intensity factor determination of high velocity electric arc sprayed metal-based ceramic coatings

In this paper, a commercial metal-based ceramic coating has been used to prepare the specimen adopting high velocity electric arc spraying (HVAS) technology. The three-point bend tests were proposed to measure the Young's modulus (E) of the coating. A test specimen capable of measuring the complex stress intensity factor of bi-material interfacial crack has been devised. The finite element method (FEM) was conducted to investigate the stress fields in the vicinity of the crack for the bend specimen, and the complex stress intensity factor and its phase angle have been computed through the stress field. The test results of determining E of the coatings showed the Young's modulus increased with the increase of coating thickness. The reason was that the rise of coating thickness resulted in the reduction of porosity in the coatings, so the Young's modulus followed it. The toughness test results showed that crack initiation of the interfacial crack occurred in the range of linear elastic for the whole specimen. In addition, the analysis on validity of K showed that the stress intensity factor was able to be used as the fracture-controlled parameter of interface crack for the specimen geometry and loading pattern in this paper.     

Analysis of effect factors on crack rotation factor

Crack rotation factor r and plastic crack rotation factor r_p are analyzed by means of simulated test using finiteelement methods.The results indicate that r and r_p are influenced by material and genometry parameters in three-pointbend specimen and r and r_p are variable value in small scope of yield.Therefore,it has some great error that r and r_pare regarded as constants in analyzing CTOD crack drivign force.     

Closing law and stress intensity factor of elliptical crack under compressive loading

The solution of surface displacement of an elliptical crack under compressive-shear loading was obtained by using the comples function method.The closing mode was established by analyzing the geometrical condition of closing crack,and the corresponding critical stress was solved.The result corrects the traditional viewpoint.in which there exist only open or close states for an elliptical crack,and points out that the local closing is also one of crack states.Based on them,the effect of the closed crack on stress intensity factor was discussed in detail,and its rational formulae are put forward.     

含圆形埋藏裂纹金属构件的止裂应力强度因子

采用理论分析和数值模拟两种方法,对带有圆形埋藏裂纹金属构件通入强脉冲电流前后综合应力强度因子进行分析。通过具体算例,得到放电后综合应力强度因子KI比放电前应力强度因子KσI降低了70%,证明了电磁热止裂的可行性;焊接接头内圆形埋藏裂纹止裂实验,验证了数值模型及结果;数值和理论分析放电后的综合应力强度因子相差11.6%,在工程计算误差范围内,数值分析验证了理论分析的正确性。     

A plasticity-corrected stress intensity factor for fatigue crack growth in ductile materials

In this paper, a plasticity-corrected stress intensity factor range ΔK_pc is developed on the basis of plastic zone toughening theory. Using this new mechanical driving force parameter for fatigue crack growth (FCG), a theoretical correlation of Paris’s law with the crack tip plastic zone is established. Thus, some of the important phenomena associated with the plastic zone around the fatigue crack tip, such as the effects of load ratio R, overload and T stress on the FCG behavior, can be incorporated into the classical Paris’s law. Comparisons with the experimental data demonstrate that ΔK_pc as a single and effective mechanical parameter is capable of describing the effects of the load ratio, T stress and overload on the FCG rate. The FCG rate described as a function of ΔK_pc tested under a simple loading condition can also be used for other complex loading conditions of the same material.     

超声表面滚压对管线钢裂纹尖端应力场的影响分析

建立含裂纹缺陷四点弯和超声表面滚压加工的耦合三维有限元模型,使用有限元软件ABAQUS模拟了四点弯及超声表面滚压加工过程.分析了超声滚压加工前后四点弯试样三维静态裂纹的张开角度、位移、裂纹尖端应力场和J积分变化规律,讨论了超声表面滚压加工抑制裂纹扩展的机理.结果表明,超声滚压处理后,四点弯试样表层裂纹发生闭合,内部裂纹张开角度和位移明显小于未进行超声滚压处理的试样;USRP处理后裂纹尖端的拉应力降低,且距离超过裂纹尖端0.06 mm的应力由拉应力转变为压应力;USRP处理的位置处J积分数值显著减小,裂纹扩展倾向降低.     

焊接弧坑热裂纹的力学机制分析

应用断裂力学物理量和有限元方法,分析并揭示焊缝弧坑热裂纹开裂力学机理. 通过应力的无量纲化和正交变换,将热—弹塑性有限元分析获得的节点应力等效为应力强度因子计算模型的外载荷,建立了基于应力强度因子参量的焊缝弧坑热裂纹数值分析模型. 计算并比较焊接热应力作用下焊缝含裂纹单元的张开、剪切和撕裂三类应力强度因子,揭示弧坑裂纹断裂机制并断口试验验证. 结果表明,弧坑热裂纹以拉裂模式主导,在热裂纹敏感区间1100~1000 ℃扩展速度最快,且呈“之”字形开裂取向.     

紧凑拉伸铍试样裂纹尖端应力分布研究

为了评估应力作用下铍试样裂纹尖端的微观断裂特性，设计了平面应变状态下铍的紧凑拉伸试样，采用X3000应力分析仪测试了不同载荷下铍试样裂纹尖端的应力分布，并对加载过程中铍试样内的应力应变进行了有限元计算。结果表明，离铍试样裂尖较远区域，有限元计算和实测值吻合较好，靠近裂尖区域，有限元计算高于实测值。根据铍试样拉伸时裂纹扩展的临界载荷，计算获得了铍试样裂纹尖端的最大应力、塑性区半径以及断裂强度因子。     

新型耐磨钢NM400斜Y形坡口焊接抗裂性分析

采用斜Y形坡口焊接抗裂性试验对NM400钢的焊接抗裂性进行了研究,通过测定其表面裂纹率、断面裂纹率及根部裂纹率,评定NM400的抗裂性能,并分析焊前预热对材料抗裂性的影响.同时,应用热弹塑性有限元法对斜Y形坡口试样进行了焊接过程的有限元数值模拟计算,得出横向焊接残余应力的分布情况及峰值位置.结果表明,常温下NM400的根部裂纹率较高,预热150℃时各裂纹率均降至0.因此,焊前预热能够提高NM400的焊接抗裂性.另斜Y形坡口根部产生较大的应力集中,局部横向残余应力超过材料的强度,是致使其产生裂纹的力学因素.