压应力对长短疲劳裂纹尖端塑性区影响的有限元分析

应用弹塑性有限元方法,研究压应力对长短疲劳裂纹塑性区的影响.分别建立两个具有长短中心穿透裂纹高强铝合金板的有限元模型,进行拉压加载模拟分析.结果表明,压应力对长短疲劳裂纹尖端塑性区有显著影响,相同的应力强度因子条件下,在一个拉一压加载周期,当拉载荷减小到零时裂纹尖端应力不为零,裂纹尖端应力对裂尖的挤压作用产生反向塑性区,裂尖反向塑性区随压应力的增加而增加,压应力的大小是决定裂纹尖端塑性区大小的主要因素,压应力对短裂纹的影响比长裂纹大.     

不同加载条件压载荷对疲劳裂纹尖端塑性区的影响

应用弹塑性有限元方法,研究不同加载条件下压载荷对疲劳裂纹尖端塑性区的影响.建立两个具有中心穿透裂纹的高强铝合金板的有限元模型,分别进行不同载荷的拉压加载模拟分析.结果表明,压载荷对疲劳裂纹尖端塑性区有显著影响,在一拉一压加载周期,当拉载荷减小到零时裂纹尖端应力不为零,裂纹尖端应力对裂尖的挤压作用产生反向塑性区,裂尖反向塑性区随压载荷的增加而增加,压载荷的大小是决定裂纹尖端塑性区大小的主要因素,压载荷越大塑性区越大.     

低碳钢Q345多尺度疲劳断裂行为研究

为了解决钢结构疲劳断裂问题,该文基于应力等效原理引入了材料内部微、细观缺陷的影响,利用有限元软件ABAQUS模拟了含损伤的低碳钢Q345多尺度疲劳裂纹扩展过程,研究了裂纹尖端场分布及其疲劳断裂行为。研究表明,材料内部微、细观缺陷引起的损伤对宏观裂纹尖端塑性区分布、尖端应力强度因子和J积分均具有较大影响,裂纹达到一定长度后,影响更为显著,且会较为明显地加速宏观裂纹扩展。     

三轴应力状态下复合型裂纹尖端前缘的塑性区分布

利用Ｍｉｓｅｓ屈服准则从理论上分析了Ⅰ－Ⅱ复合型裂纹尖端前缘的塑性区分布。推导出了由三轴应力约束参数Ｔｚ参与表征的裂纹尖端前缘塑性区尺寸ｒｐ的表达式，并绘制出了Ⅰ－Ⅱ复合型裂纹在单轴、双轴载荷作用下裂纹尖端塑性区的分布图。     

非均质焊接接头裂纹尖端塑性区

采用平面应力弹塑性大应变有限元法分析了非均质焊接接头裂纹尖端塑性区的扩展规律，指出在非均质焊接接头中存在着塑性变形的不同时性与不均匀性，且焊缝金属强度匹配、材料本构关系以及裂纹长度（韧带长度）对塑性区的发生发展均有重要影响。     

小范围屈服条件下复合材料裂纹尖端塑性区分析

基于复合材料力学,推导Tsai-Hill强度准则在平面应力和平面应变条件下的一般表达式,得到了小范围屈服条件下,含中心裂纹无限大板Ⅰ型裂纹、Ⅱ型裂纹和Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹尖端塑性区的解析解。针对不同裂纹倾角及泊松比 和,对裂尖塑性区进行了计算和分析。结果表明平面应变条件下塑性区范围小于平面应力条件下塑性区范围,参数、和 对复合材料裂尖塑性区范围和形状有明显的影响,不同的参数值得到的塑性区结果差别很大。另外,该解既适用于各向异性复合材料,也适用于各向同性材料。     

幂硬化对准静载弹塑性弯曲裂纹塑性区的影响

主要研究准静载荷作用下的硬化材料弹塑性弯曲裂纹尖端的塑性区问题。综合考虑了准静作用应力,塑性区域边界上正应力与剪应力,利用二阶摄动方法计算了硬化材料弹塑性弯曲裂纹尖端的塑性区。用数值解法计算出弹塑性弯曲裂纹尖端硬化塑性区于裂纹直线部分延长线上的投影长度,作图分析了弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸与材料硬化指数之间的变化关系。在幂硬化材料中,弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区随着材料硬化指数n的增大而减少,当n等速均匀增加时,弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸加速减少,减少的幅度越来越大。当材料的硬化指数相同时,弯曲裂纹尖端塑性区尺寸随外载荷的不断减小而逐渐减小。建立了一个计算硬化材料弹塑性弯曲裂纹塑性区尺寸的崭新理论模型。     

铝合金板材中心孔裂纹尖端塑性区数值计算

通过有限元对铝合金板材中心孔裂纹尖端处塑性区模拟计算,说明在裂纹尖端产生了较大的塑性区,并相应地计算出塑性区的大小。本文通过有限元模拟2124铝合金板材中心孔裂纹扩展情况。铝合金材料为典型的脆性材料,2124铝合金板材在疲劳加载情况下会先进行弹性形变,达到屈服强度后进行塑性形变。本文对2124铝合金板材进行有限元模拟时,先采用线弹性模型,计算裂纹扩展的应力强度因子,然后采用弹塑性模型,计算裂纹尖端的塑性区大小,从而进一步对裂纹尖端应力强度因子进行修正。在建立有限元模型时,以二维的Ramberg-Os-good（R-O）本构为基础,采用参数化的方式,这样是为了可以更好地对有限元程序进行调试。在有限元网格划分时,由于在相同精度下四边形单元的计算效率是三角形单元的几倍,所以采用四边形单元,提高计算精度。有限元建模时,采用plane42、solid 45和solid 95三种单元,plane42单元用于建立2D网格,solid45单元用于建立3D网格,而solid95单元则是用于引入奇异单元。同时,由于试样模型对称性,所以取1/4模型来进行计算。在计算裂纹尖端应力强度因子及塑性区大小时,采用恒ΔK方式和增ΔK两种加载方式来进行计算。首先在恒ΔK下,计算出相应的应力强度因子,其值和理论值相吻合,同时观察得到的塑性区形状与理论形状相似,计算塑性区尺寸大小,首先证明有限元程序的正确性。进一步有限元模拟计算在增大ΔK情况下不同预裂纹长度下塑性区的变化情况。经过有限元计算得到的塑性区尺寸大小,最后可以近似用经验公式表达。     

高强钢电阻点焊TS试样疲劳寿命预测

在使用裂纹扩展的方法预测焊点疲劳寿命时,裂纹尖端塑性区的存在会对寿命预测结果产生影响,而现有的大多数寿命预测方法在预测寿命的过程中并没有考虑裂纹尖端塑性对寿命预测结果的影响。针对几种不同的高强钢电阻点焊TS试样进行了疲劳寿命试验,得到了不同材料的疲劳寿命与裂纹扩展路径,在此基础上使用裂纹扩展的方法对TS试样的寿命进行了理论预测。考虑裂纹尖端的塑性变形,对理论寿命预测结果进行了塑性修正,修正后的曲线在高周疲劳区寿命预测结果几乎不变,在低周疲劳区寿命预测结果减小,寿命预测曲线变化趋势与实验结果相符合。高周疲劳由于载荷较小,塑性区半径小,所以塑性对疲劳寿命的影响小,低周疲劳区由于载荷较大,塑性区半径大,塑性对疲劳寿命影响较大。     

42CrMo4钢疲劳裂纹扩展时的残余应力及其变化

对４２ＣＣｒＭｏ４钢质调质试样疲劳裂纹扩展时的表面残余应力测定表明，在裂纹尖端前方和裂纹两则一定范围生成残余应力，裂纹尖端处压应力最大。随着裂纹的扩展压应力范围增大，最大压应力增加，表明残余应力始终处于一动态再分布过程中，与裂纹尖端区域的塑性变形直接相联系。裂纹扩展时残余应力的真实分布状态，按理想模型已不能作出圆满描述。由于裂纹尖端塑性变形区较小，选用合适的Ｘ线光栅孔长测的残余应力较为真实。     

16MnR钢在不同应力比下的疲劳裂纹扩展的试验研究及模拟

采用3.8 mm厚带有圆形缺口的CT试样,研究了16MnR钢在不同应力比的恒幅循环载荷作用下的疲劳裂纹扩展。开发了一种基于疲劳损伤的方法来模拟疲劳裂纹扩展速率。将16MnR钢的循环塑性本构模型通过用户材料子程序UMAT嵌入到ABAQUS中。把有限元计算得到的疲劳裂纹尖端附近区域的弹塑性循环应力应变结果,代入到疲劳损伤模型中,得到每个加载循环在裂尖各点产生的疲劳损伤值。通过疲劳损伤准则,导出疲劳裂纹稳定扩展速率的计算公式。疲劳裂纹扩展试验验证了模拟结果。实验结果和模拟结果都表明,该试样厚度下,应力比对裂纹扩展速率几乎没有影响。     

含半圆形埋藏裂纹金属构件脉冲放电时应力场分析

对纯弯曲载荷作用下含半圆形埋藏裂纹的金属构件在脉冲放电瞬间的应力场进行了理论分析,运用热传导、非定常热应力及汉克尔变换等理论,推导出应力场分布理论公式。由公式可知,在脉冲放电瞬间,电磁热在裂纹尖端形成热压应力场,压应力场能有效地抑制裂纹的扩展。对脉冲放电前后的含半圆形埋藏裂纹构件进行了超声波检测实验,利用超声波对比法测得脉冲放电后构件裂尖应力值,该应力值有所增大。     

循环压载下缺口旁疲劳裂纹扩展

对承受循环压载的缺口试件的疲劳问题进行了试验和理论研究。结果表明，疲劳裂纹是在残余拉应力和循环压应力作用下萌生和扩展的，压塑性变形是裂纹萌生和扩展和扩展的必要条件。循环压载下仍存在着裂纹张开和裂纹闭合，其机理与拉伸循环下不同。以试验中采用的ＬＹ１２ＣＡ材料边缺口试件为例，提出了考虑裂纹闭合效应的扩展率计算模型，结果与试验吻合得较好。     

含埋藏裂纹构件脉冲放电相变应力分析

对带有圆形埋藏裂纹的40CrNiMo金属构件进行了脉冲放电止裂强化实验。通过对脉冲放电后裂纹尖端的宏观形貌、相变区域与基体区的化学成分及显微硬度进行对比分析,发现相变区的组织得到了细化,其显微硬度得到大幅度提高;应用含有热源的非齐次非稳态热传导方程、相变动力学及等效夹杂等理论推导出了裂尖相变区域的相变应力理论公式。结果表明,裂尖附近相变区域形成了相变压应力,验证了电磁热效应对埋藏裂纹的扩展起到抑制作用。     

压缩循环载荷下疲劳裂纹扩展的实验研究

通过对零－压载荷下的疲劳裂纹扩展试验。研究ＬＹ１３ＣＺ试件在压缩循环载荷下的裂纹扩展规律。发现在压缩循环载荷下疲劳裂纹可以扩展，但不铳即发生休眠。其休眠长度与反复塑性区的尺寸相当。     

异种钢焊接接头脉冲放电强化与力学性能分析

采用电磁热止裂强化方法对异种材料焊接接头进行强化研究,对含椭圆形埋藏裂纹缺陷的焊接接头进行了脉冲放电数值分析,得到放电瞬间的热应力场和冷却到常温时的残余应力场,结果表明,脉冲放电瞬间焊接接头中的裂纹尖端温升超过材料熔点,裂尖钝化并产生了有利的残余压应力;对Q235和1Cr18Ni9焊接接头进行了电磁热强化试验研究,结果表明,试件通过放电强化,焊接接头的力学性能得到改善,抗拉强度提高19.4%,冲击韧性提高12.07%。     

基于统一强度理论的断裂准则

基于统一强度理论,在小范围屈服条件下,推导Ⅰ、Ⅱ复合型裂纹裂尖塑性区范围的统一解析解。给出不同拉压比α、泊松比υ、中间主应力影响参数b以及裂纹倾角β下的一族塑性区形状与大小的轨迹,讨论以上参数对裂尖塑性区变化的影响。最后基于裂纹尖端塑性区的解析解,提出了一种复合型裂纹断裂准则,分析了裂纹倾角与初始断裂角的关系。结果表明,该准则预测结果比其它准则更精确,与试验结果吻合得非常好。     

含埋藏椭圆型裂纹的构件脉冲放电瞬间的耦合场分析

采用数值分析的方法,对含三维埋藏椭圆型裂纹的构件放电瞬间的耦合场进行分析。计算脉冲放电瞬间椭圆形裂纹尖端附近的温度场和等效应力场的分布状态;并通过改变模型尺寸的模拟分析影响放电参数的主要因素。计算结果表明,由于电流绕流产生的焦耳热源的作用,裂纹尖端处温度瞬时急剧升高,但沿椭圆形裂纹尖端的温度值并不相同,最大值发生在长轴附近,只要放电电流的强度足够大,可以使椭圆环形裂尖均熔化形成焊口,并围绕环形裂纹尖端附近产生很大的热压应力场,可有效地遏制裂纹的扩展;在相同放电电流强度下,对椭圆裂纹尖端温度影响较大的是裂纹的绝对尺寸和椭圆长短轴的相对尺寸。在研究过程中分成热一电耦合和热一应力耦合两个过程,综合考虑材料非线性、状态变化非线性和几何非线性,结果比较符合实际。     

Analysis of an unsteadily propagating crack under mode I and II loading

Stress and displacement fields for an unsteadily propagating crack under mode I and II loading are developed through an asymptotic analysis. Dynamic equilibrium equations for the unsteady state are developed and the solution to the displacement fields and the stress fields for a crack propagating with high crack tip acceleration, deceleration and rapidly varying stress intensity factor. The influence of transients on the higher order terms of the stress fields are explicitly revealed. Using these stress components, isochromatic fringes around the propagating crack are generated for different crack speeds, crack tip accelerations and the time rate of change of stress intensity factor, and the effects of the transients on these fringes are discussed. The effects of the transients on the dynamic stress intensity factor are discussed when a crack propagates with high acceleration and deceleration. The effect of transient on the time rate of change of dynamic stress intensity factor below Rayleigh wave speed in an infinite body is also studied.