深水立管环缝裂纹扩展和疲劳寿命仿真研究

深水立管作为深水生产系统中连接水面浮式装置和海底设备的导管,具有非常重要的作用。利用三维断裂分析软件FRANC3D对循环载荷下深水立管环焊缝焊接缺陷造成的等效裂纹进行了裂纹扩展仿真,通过仿真得到了裂纹扩展的形态和特征,计算了疲劳裂纹扩展寿命,并且将计算结果与BS7910标准进行了对比。     

杆模型的平流层飞艇蒙皮撕裂扩展分析

针对飞艇高强纤维增强型蒙皮材料,研究预制裂纹切口蒙皮的撕裂扩展行为,以纱线单元为基础,借助杆模型,考虑纱线结点的粘合力、经纬向纱线脱胶滑移时的摩擦力,从细观结构分析裂纹切口的扩展机理,并建立裂纹切口扩展的力学模型.结合拉伸撕裂试验,采用不同长度、不同位置及不同角度的预制裂纹切口蒙皮试样进行试验,以获得裂纹扩展撕裂值.最后用Matlab对裂纹切口蒙皮试样撕裂进行仿真,获得了所建模型的撕裂仿真值.试验所得裂纹切口蒙皮的撕裂值与仿真值基本吻合,验证了所建模型的适用性,为平流层飞艇蒙皮材料的抗撕裂性能设计提供基础研究.     

HfC颗粒对WC/Co复合材料裂纹萌生和扩展行为的影响

以提高材料的韧性为目的,通过冷压、热压工艺制备出碳化钨基复合材料,对其断裂韧性、弯曲强度进行测试;利用SEM对HfC/WC/Co复合材料的微观形貌进行观察;基于裂纹扩展能量释放公式,构建了裂纹直行、裂纹偏转和裂纹分叉的应力强度因子与裂纹长度的数学模型;借助仿真软件ABAQUS对裂纹直行、裂纹偏转、裂纹分叉、裂纹钉扎4种裂纹扩展方式进行了仿真验证;结果表明:添加适量的HfC可以有效改善复合材料的断裂韧性和弯曲强度;HfC和Co在基体中均匀分布,对复合材料强度和韧性的提高具有明显作用,改善机制为裂纹偏转、裂纹分叉、裂纹钉扎、穿晶断裂等协同作用将裂纹扩展尖端的应力分散或转移到HfC上,从而降低基体中裂纹尖端的应力集中,提高复合材料的韧性。     

激光控制裂纹扩展的路径迭代法及收敛性分析

为了诱导和控制脆性材料板中裂纹沿非对称的预定轨迹扩展,给出一种求取激光扫描路径的迭代法,分析控制参数对收敛性的影响.基于PID控制理论,将裂纹扩展的实际轨迹与预定轨迹的偏差及其积分和微分项的组合构成激光扫描路径的迭代算式,通过强制裂纹按预定轨迹扩展的仿真分析,求得各步的扩展方向,并依此估计裂纹路径的偏差,避免了裂纹的自适应扩展分析及相应的网格重划分.选取不同的比例、积分和微分控制参数对典型实例进行路径迭代分析,结果表明比例控制参数对收敛性影响明显,较大的比例控制参数值有利于迭代的收敛,而微分控制参数应取较小的值.自适应裂纹扩展仿真分析显示,当激光沿迭代所得路径扫描时能够有效地诱导和控制裂纹沿预定轨迹扩展,证明了提出方法的有效性.     

加氢反应器接管裂纹的疲劳扩展分析

为了预测焊接构件在中温环境下的疲劳裂纹扩展寿命，提出了一组新的疲劳裂纹扩展方程.采用紧
凑拉伸（CT）试样，对2.25Cr1Mo钢在室温和420℃时的疲劳裂纹扩展速率进行了测试研究，通过速率试验
值的回归分析，推导了两种温度下疲劳裂纹扩展速率方程，并利用该方程计算了一台加氢反应器接管焊缝
部位浅长表面裂纹的疲劳扩展量和表面裂纹临界长度，对扩展后的裂纹进行了安全评估.研究结果表明，
420℃时2.25Cr1Mo钢的疲劳裂纹扩展速率高于室温，反应器接管焊缝处的裂纹疲劳扩展不会威胁其使用安
全性，该扩展方程的计算结果具有较好的准确性和可靠度，可用于该钢种的裂纹疲劳扩展预测和安全评估     

齿根疲劳裂纹扩展致传动系统振动异常特征的仿真研究

为研究齿轮啮合过程中齿根疲劳裂纹扩展与齿轮传动系统振动特性之间的关系,建立了含齿根裂纹的齿轮对接触分析有限元模型,模拟了齿根裂纹的扩展过程。通过提取有限元分析结果中的啮合齿面节点位移和接触力信息,求得齿轮时变啮合刚度,进而得到齿轮啮合刚度随齿根疲劳裂纹扩展的退化规律;将该刚度变量代入8自由度齿轮振动系统的运动微分方程动力学模型中,进一步研究齿根裂纹扩展与传动系统振动之间的关联性。仿真结果表明:当齿轮单个轮齿含齿根裂纹时,该轮齿啮合振动时域信号异常的范围为单齿-双齿-单齿三个连续区间,其中双齿啮合区间振动冲击响应最为明显。随着齿根裂纹的扩展,该齿时域振动信号振幅显著增大;频域内的振动信号中各倍频的峰值基本不变,高频区域最先出现边频带,并且边频带向低频区域扩展,且幅值也逐渐增大。该研究结果可以为裂纹故障识别检测提供一定的理论依据。     

身管内膛涂层界面裂纹的应力强度因子分析

针对火炮身管内膛的损伤、裂纹扩展及涂层剥落问题,基于断裂力学理论,结合有限元分析软件ANSYS对火炮身管内膛涂层界面裂纹进行仿真分析.应用APDL语言对内膛基体与涂层的界面裂纹结构进行参数化建模,对裂纹尖端应力场进行分析,探究不同裂纹尺寸、载荷等因素对界面裂纹扩展及I型、II型应力强度因子的影响.结果表明,I型、II型...     

桥式类型起重机箱形梁变幅疲劳试验研究

本文对桥式类型起重机箱形梁在变幅载荷作用下疲劳裂纹扩展规律及其寿命进行了实验研究，建立疲劳裂纹扩展规律及其寿命进行了实验研究，建立了疲劳裂纹扩展的Ｐａｒｉｓ公式。由得到的裂纹扩展公式估算了箱形梁的疲劳寿命和疲劳强度，并与试验结果作了比较。     

基于断裂理论的湿陷性黄土劈裂注浆裂纹扩展

为深入研究湿陷性黄土地区浆液在土体中的扩散机制,基于断裂力学理论,建立了一种浆液在二维平面中流动扩散的仿真分析方法。该方法对湿陷性黄土地区劈裂注浆过程中裂纹的产生形式、破坏准则的建立以及裂纹扩展的判定方法进行了描述,实现了对裂纹扩展问题及渗流-应力耦合问题的求解。同时,本文利用ABAQUS软件通过建立的裂缝扩展方程,分析了劈裂注浆压力及土体物理力学性质对裂纹扩展长度的影响。研究结果表明:劈裂注浆压力的计算应该重点考虑裂纹扩展长度和土体强度参数的影响;在黄土劈裂注浆过程中无法通过连续加压进行劈裂注浆,应分段加压,确保扩展过程中能量的聚集。最后,通过室内模型试验对裂缝扩展模拟结果进行了验证,得出试验与模型分析结论相近,验证了理论的合理性。     

风力机叶片裂纹特征的小波尺度谱识别

为了在强大噪声干扰下提取风力机叶片的早期裂纹特征,识别不同种类的裂纹,通过搭建声发射设备检测风力机叶片复合材料块实验平台,采集扩展裂纹与萌生裂纹的声发射信号,并借助小波尺度谱优越的时频分析性能来有效提取裂纹信号的特征,以区别扩展裂纹和萌生裂纹.实验结果表明,小波尺度谱能有效提取非线性、非平稳信号中的故障特征,优于小波分析方法.通过实验研究,得到了识别扩展裂纹和萌生裂纹的判据,建立了基于声发射和小波尺度谱的风力机叶片裂纹识别新方法.     

含界面裂纹的GFRP沥青混合料巴西盘断裂力学分析

为研究GFRP沥青混合料界面裂尖力学特性,对混合料进行强度分析,设计了含预制界面裂纹的双材料巴西盘试件,实测了加载角度在25°90°之间27个巴西盘试件断裂荷载、裂纹扩展路径和断口形式等试验数据,结合试验数据建立了考虑GFRP正交异性双材料巴西盘有限元模型,采用数值外插法反算了界面应力强度因子,进行了GFRP沥青混合料巴西盘断裂力学性能的理论分析和试验研究.结果表明,含预制界面裂纹的双材料巴西盘试件能全面地反映GFRP沥青混合料的断裂形态,是一种有效的试验方法;以界面应力强度因子作为力学评价指标,能够很好地解释试验现象;含预制界面裂纹的GFRP沥青混合料巴西盘符合椭圆强度准则.     

Influence of fractality of fracture surfaces on stress and displacement fields at crack tips

In the classic theory of fracture mechanics, expressions for calculating the stresses and displacements in the vicinity of the crack tip are deduced on the basis of the assumption that a fracture surface is a smooth surface or that a crack is a smooth crack. In fact, the surface of a crack formed during the fracture is usually very irregular. So the real asymptotic form of the stress and displacement fields at the crack tip is different from the classic one. Considering the irregularity of a real fracture surface or a real crack profile, the crack is taken as a fractal one, and then the real asymptotic form at the crack tip is developed by applying Griffith’s energy balance principle and fractal geometry. Through the developed asymptotic form, it is discovered that the fractality of the crack reduces the stress singularity at the crack tip.

     

边界奇异权法在复合型裂纹计算中的应用

将边界奇异权法引入无网格方法中,通过对移动最小二乘近似(MLS)形函数进行修正,实现了本质边界条件在结点处的精确施加.将其应用于线弹性断裂力学问题的求解,计算了复合型裂纹的应力强度因子,分析了裂尖附近应力场,并与完全变换法的计算结果进行了对比.     

Influence of fractality of fracture surfaces on stress and displacement fields at crack tips

In the classic theory of fracture mechanics, expressions for calculating the stresses and displacements in the vicinity of the crack tip are deduced on the basis of the assumption that a fracture surface is a smooth surface or that a crack is a smooth crack. In fact, the surface of a crack formed during the fracture is usually very irregular. So the real asymptotic form of the stress and displacement fields at the crack tip is different from the classic one. Considering the irregularity of a real fracture surface or a real crack profile, the crack is taken as a fractal one, and then the real asymptotic form at the crack tip is developed by applying Griffith’s energy balance principle and fractal geometry. Through the developed asymptotic form, it is discovered that the fractality of the crack reduces the stress singularity at the crack tip.     

压力容器缺陷评定的可靠性方法研究

含缺陷压力容器及管道的安全评定是石油化工行业中的一个重要课题 ,断裂力学的出现和发展为含缺陷压力容器的安全评定提供了有力的手段。由于实际和工程构件的断裂力学评定所依据的基本事件具有不确定性 ,而实际应用中断裂力学都采用定性定量 ,这就使断裂力学的工程分析方法的可靠性很低 ,自然带来了偏差和不确定性因素。考虑压力容器所承受载荷、材料断裂韧性、裂纹尺寸等参数的随机特征 ,应用可靠性理论来解决更具准确性。可靠性理论结合CEGBR6标准 ,可以得出基于MonteCarlo模拟方法的计算模型。通过一个实例并与传统方法进行了对比 ,结果表明 ,由于克服了传统缺陷评定中的缺点 ,所以它是一种更为精确的评定方法。     

缺口疲劳短裂纹扩展规律及长短裂纹分界点的确定

采用弹塑性理论定理分析缺口根部局部应力应变场来确定长短裂纹分界点,提出了预测缺口短裂纹扩展寿命的方法,对提高缺口件疲劳全寿命估算的精度具有一定的应用价值,实验结果表明该处理方法简单合理。     

Dynamic fracture behavior of rock under impact load using the caustics method

We studied the dynamic fracture mechanical behavior of rock under different impact rates. The fracture experiment was a three-point bending beam subjected to different impact loads monitored using the reflected caustics method. The mechanical parameters for fracture of the three-point bending beam specimen under impact load are analyzed. The mechanism of crack propagation is discussed. Experimental results show that the dynamic stress intensity factor increases before crack initiation. When the dynamic stress intensity factor reaches its maximum value the crack starts to develop. After crack initiation the dynamic stress intensity factor decreases rapidly and oscillates. As the impact rate increases the cracks initiate earlier, the maximum value of crack growth velocity becomes smaller and the values of dynamic stress intensity factor also vary less during crack propagation. The results provide a theoretical basis for the study of rock dynamic fracture.     

混凝土亚临界裂纹扩展的分形效应

通过三点弯曲断裂SEM试验，获得了混凝土断裂全过程的扫描电镜图像．采用分形几何方法对裂纹扩展路径进行了考查，并对获得的数据点进行了回归分析和回归结果的相关性检验，论证了裂纹亚临界扩展的分形性质，得到了细观裂纹路径的分形维数D，此外，还探讨了分维D与断裂能GF之间的关系。     

扩展有限元法在重力坝断裂分析中的应用研究

扩展有限元法是近年来发展起来的分析不连续问题(特别是断裂问题)的一种有效方法。介绍了扩展有限元法的基本原理,给出了采用扩展有限元法进行裂纹扩展分析的方法,最后采用扩展有限元法模拟了混凝土重力坝坝踵裂缝扩展过程,分析了其变形、应力场分布规律。算例表明扩展有限元法在进行断裂分析时克服了常规有限元法的缺点,避免了常规有限元法在分析断裂问题时繁琐的前处理过程,不需要裂纹面与有限元网格一致,不需要在裂缝周围布置高密度网格,模拟裂纹扩展过程时不需要不断地重新划分网格,展示了扩展有限元法在大坝开裂分析中的独特优势。     

Simulation of PFZ on intergranular fracture based on XFEM and CPFEM

A unit cell including the matrix, precipitation free zone(PFZ) and grain boundary was prepared, and the crystal plasticity finite element method(CPFEM) and extended finite element method(XFEM) were used to simulate the propagation of cracks at grain boundary. Simulation results show that the crystallographic orientation of PFZ has significant influence on crack propagation, which includes the crack growth direction and crack growth velocity. The fracture strain of soft orientation is larger than that of hard orientation due to the role of reducing the stress intensity at grain boundary in intergranular brittle fracture. But in intergranular ductile fracture, the fracture strain of soft orientation may be smaller than that of hard orientation due to the roles of deformation localization.