纵肋与横隔板交叉构造细节穿透型疲劳裂纹扩展特性及其加固方法研究

纵肋与横隔板交叉构造细节是正交异性钢桥面板最易发生疲劳开裂的构造细节,通过建立有限元数值模型,采用断裂力学方法,研究栓接角钢加固方式对该处疲劳易损细节穿透型裂纹的加固效果。基于疲劳试验足尺节段模型相对应有限元模型,建立了纵肋与横隔板焊接处穿透型疲劳裂纹模型,针对栓接角钢和纵肋外侧栓接钢板两种加固技术的加固效果进行评估。研究结果表明:钢桥面板纵肋与横隔板交叉构造细节的疲劳裂纹扩展至一定长度后将发展成穿透型裂纹,裂纹面受力复杂,纵肋腹板内外侧疲劳裂纹扩展特性表现的不一样,但是随着裂纹扩展的逐步进行,裂纹尖端的开裂模式均以复合型开裂为主;栓接角钢加固方式主要抑制纵肋与横隔板交叉构造细节易损部位疲劳裂纹的I型开裂,因此能很好地抑制短裂纹的扩展,但对于该细节处以复合形式扩展的穿透型疲劳裂纹的加固效果并不显著;在纵肋外侧栓接半U形钢板的加固方法能有效改善穿透型疲劳裂纹的等效应力强度因子,并且加固之后均保持在裂纹扩展阈值以下,表明该加固方式对穿透型疲劳裂纹有良好加固效果。     

42CrMo钢疲劳裂纹扩展剩余寿命评估

以高频三点弯曲疲劳试验机为平台,进行42CrMo钢疲劳裂纹扩展试验研究,通过建立裂纹扩展剩余寿命评估模型,实现对存在裂纹的工程机械零部件剩余寿命的评估。采用显微成像测试系统实时采集并测量疲劳扩展裂纹,使用声发射系统监测整个疲劳裂纹扩展过程。结果表明:声发射幅值、能量等特征参数可以实时反应疲劳裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展等各个损伤阶段,并在疲劳断裂时产生急剧的突变;裂纹扩展速率的对数值与应力强度因子幅的对数值具有较高的线性相关性,建立了不同应力工况条件下裂纹扩展剩余寿命评估模型,以双排链轮轴为例进行裂纹扩展剩余寿命评估;随着疲劳应力的增加,裂纹扩展剩余寿命减小。     

桥面铺装对钢桥面板疲劳应力幅的影响

钢桥面板厚度小,铺装层的相对刚度较大,钢桥面板疲劳设计时,应该考虑铺装层与钢桥面板的共同作用。假设桥面铺装与顶板没有相对滑移,采用有限元方法探讨了桥面铺装弹性模量和厚度对正交异性钢桥面板疲劳应力幅的影响。     

钢箱梁正交异性桥面板疲劳评估全空间S-N曲线研究

全空间S-N曲线是利用时序准则进行钢箱梁正交异性桥面板疲劳评估的基础。首先基于钢桥设计规范给出的有限疲劳寿命区S-N曲线,从理论上推导了覆盖低周疲劳寿命区、有限疲劳寿命区和高周疲劳寿命区的一般全空间S-N曲线模型。进一步针对小型汽车和日常风等荷载引起的低水平应力幅以及地震和强风等荷载引起的高水平应力幅,引入高周疲劳损伤累积因子和低周疲劳强度调整因子分别对低水平应力幅和高水平应力幅造成的疲劳损伤进行计算,提出一种适用于钢箱梁正交异性桥面板疲劳评估的全空间S-N曲线模型。在此基础上对模型参数的几何意义进行了解释。最后采用正交异性桥面板顶板-U肋疲劳试验数据对模型参数进行了估计,得到了具有最佳拟合度的全空间S-N曲线和具有99%保证率的疲劳评估全空间S-N曲线。研究结果表明,该文提出的全空间S-N曲线模型能准确描述钢箱梁正交异性桥面板在各种应力幅下的疲劳损伤累积特性。研究结果可为钢箱梁正交异性桥面板的疲劳评估奠定基础。     

WNQ570桥梁钢及其对接焊缝疲劳裂纹扩展性能试验研究

对WNQ570桥梁钢及其对接焊缝进行了疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹扩展门槛值测定试验,采用两种不同数据拟合方法分别得到具有95%保证率的疲劳裂纹扩展参数。结果表明:本批次的WNQ570钢材具有良好的疲劳裂纹扩展性能,其中对接焊缝疲劳裂纹扩展速率高于母材;在应力强度因子幅值处于10 MPa·m1/2～70 MPa·m1/2的常规区间时,基于单试件数据点的处理结果对应的裂纹扩展速率明显高于基于成组数据点的处理结果;WNQ570的疲劳裂纹扩展速率随应力比增加而增加,疲劳裂纹扩展门槛值随应力比增加而降低。     

随机轮载下钢桥面顶板与纵肋焊缝疲劳裂纹扩展特性研究

车辆轮迹横向分布是钢桥面板焊缝处产生随机应力谱的一项关键因素,加之焊接缺陷形态的随机性,诱发钢桥面板疲劳裂纹随机扩展行为。为了研究钢桥面顶板焊缝处疲劳裂纹的随机扩展特性,基于断裂力学理论与扩展有限元方法分析了轮迹横向分布对钢桥面板顶板焊根和焊趾等效应力强度因子的影响规律,揭示了轮迹横向分布离散度、初始裂纹深度和初始裂纹形态比对焊缝处疲劳裂纹随机扩展路径分布的影响规律。结果表明：轮载中心处于U肋正上方中心和焊缝中心位置分别为顶板焊趾和焊根的最不利横向加载工况;车辆轮迹横向分布对顶板焊根和顶板焊趾疲劳裂纹前缘应力强度因子影响差异显著,顶板焊根最大等效应力强度因子为85.99 MPa·mm^1/2,比顶板焊趾增加了6.72%;轮迹横向分布离散度和初始裂纹深度与钢桥面板焊缝处疲劳裂纹随机扩展路径分布离散程度成正相关,初始裂纹形态比与其成负相关;焊缝细节初始裂纹深度越大,车辆荷载对其横向影响范围越大;焊缝细节初始裂纹形态比越大,车辆荷载对其横向影响范围变化不明显。     

钢-STC轻型组合桥面大跨径钢箱梁步行廊桥结构分析

步行廊桥布孔形式为(58.6+110+58.6)m,上部结构为变截面连续钢箱梁,采用钢-STC轻型组合桥面结构。用有限元软件建立桥梁空间模型对其进行了整体分析;并建立局部模型研究钢-STC轻型组合桥面结构对正交异性钢桥面板应力的影响。结果表明该桥强度刚度均满足规范要求,钢-STC轻型组合桥面结构可以提高桥面板局部刚度,且可减少桥面板应力,应力降幅约23.2%～40.5%,为类似的梁桥设计提供参考依据。     

CFRP板加固含裂纹受拉钢板的疲劳性能研究

根据线弹性断裂力学理论,采用“三维块体-弹簧-板”有限元模型对裂纹尖端的应力强度因子幅值进行计算,并基于Paris-Erdogan裂纹扩展模型,提出了CFRP板加固含裂纹受拉钢板的疲劳寿命预测方法。然后对4个CFRP板加固含初始疲劳裂纹钢板的受拉疲劳性能进行了试验研究,考察了碳纤维板加固量、单面和双面加固方式对疲劳性能的影响。试验结果表明,CFRP板加固钢板的疲劳寿命比未加固钢板显著提高,疲劳裂纹扩展的试验结果与预测结果符合较好。     

Ti-6Al-4V钛合金的疲劳裂纹扩展规律

针对熔模铸造Ti-6Al-4V钛合金的等幅疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹扩展门槛值进行了研究。结果表明：该钛合金CT试样的疲劳裂纹扩展门槛值高于CCT试样的疲劳裂纹扩展门槛值,同一类试样的疲劳裂纹扩展门槛值随着应力比的增加呈下降趋势;疲劳裂纹扩展速率随着平均应力的增加以及应力水平的增加而增大;根据疲劳裂纹扩展试验数据拟合了Ti-6Al-4V钛合金Paris方程和Walker方程中的相关材料参数,以为材料的使用寿命评估及损伤容限设计提供参考。     

正交异性钢桥面板肋-面板焊缝疲劳验算的应力分析模型评估

以天津塘沽海河大桥的正交异性钢桥面板为例,建立钢箱梁节段的有限元分析(FEA)模型、简化FEA模型和基于钢箱梁节段的子模型进行肋-面板焊缝疲劳应力分析模型的评估。计算结果表明:对于远离纵腹板处的肋-面板焊缝,通过提高简化FEA模型中横隔板高度和约束横隔板底部翼缘的方式可减小与钢箱梁节段FEA模型结果的误差;对于靠近纵腹板处的肋-面板焊缝,所有简化FEA模型的应力计算结果均低于钢箱梁节段FEA模型的结果,且误差超过23%。基于钢箱梁节段的三跨子模型可以准确地给出钢桥面板任意位置的肋-面板焊缝的疲劳应力。它具有钢箱梁节段FEA模型的计算精度和简化FEA模型的计算效率,因此它可作为正交异性钢桥面板任意位置处肋-面板焊缝疲劳应力分析的准确和高效计算模型。     

加载历史和裂纹闭合对疲劳裂纹扩展行为影响的数值模拟

采用不同应力比条件下的16MnR钢紧凑拉伸试样,设计了三种有限元分析模型,即不考虑加载历史效应的静态裂纹扩展模型,同时考虑加载历史和裂纹闭合的动态裂纹扩展模型以及仅考虑加载历史的伪动态裂纹扩展模型,对疲劳裂纹闭合过程、裂纹尖端的应力-应变迟滞环、疲劳损伤和裂纹扩展速率进行了数值模拟与分析,进而着重探讨了加载历史和裂纹闭合影响疲劳裂纹扩展行为的交互作用机制。结果表明:对于同类分析模型,应力比越大越不容易产生裂纹闭合;而在应力比相同的情况下,加载历史引起的残余压应力对裂纹闭合有明显的促进作用。裂纹闭合效应阻碍了平均应力的松弛,减小了裂纹尖端附近的应力-应变场强度、疲劳损伤和裂纹扩展速率,而加载历史引起的残余压应力则加快了平均应力的松弛和抑制了棘轮效应。与实验结果比较发现,只有同时考虑了裂纹闭合效应和加载历史影响的动态裂纹扩展模型,才能对疲劳裂纹扩展行为进行准确、定量的模拟。     

铁路正交异性桥面加劲肋-横隔板局部疲劳受力特性研究

正交异性钢桥面因整体性好、承载力强等优势在铁路大跨度桁梁及箱梁斜拉桥、拱桥等桥型中应用越来越广泛,其疲劳特性与公路桥面具有显著的差异。针对铁路正交异性钢桥面加劲肋与横隔板连接处的疲劳敏感区,通过弹性支撑梁理论及闭口薄壁杆件理论分析其局部受力特征,提出了加劲肋疲劳敏感部位面内疲劳应力的解析公式,分析了解析公式中各疲劳影响因素的影响程度及作用机理。基于甬江特大桥——大跨度铁路斜拉桥的钢箱梁正交异性桥面设计了包含2个U肋及2个V肋的正交异性桥面疲劳试验模型,并进行了560万次疲劳加载。研究结果表明:解析公式与有限元分析、试验测试结果相符良好;试验模型测试结果能准确反映疲劳敏感点的应力情况,解析理论则能够反映疲劳敏感点应力的影响因素与规律;在铁路荷载下,加劲肋与横隔板的焊缝长度和加劲肋腹板倾角的增大能够有效降低加劲肋的疲劳应力幅;在铁路正交异性钢桥面板中面积相近、抗弯刚度相等的V肋比U肋具有更好的抗疲劳工作性能。     

金属材料疲劳裂纹扩展速率不同模型应用分析

金属材料疲劳裂纹扩展速率是对金属材料及其零构件含有裂纹体后安全服役评价及疲劳寿命评估的一项重要力学性能指标.基于金属材料疲劳裂纹扩展过程的不同阶段、闭合效应、应力比对疲劳裂纹扩展速率的影响等多个方面,对几种常见金属材料疲劳裂纹扩展速率模型的应用特点进行了对比分析,为安全设计及寿命评估时不同模型的选择应用提供参考.     

Cu/WCp叠层功能梯度材料疲劳裂纹扩展速率的数值模拟

本研究基于FRANC2D(Fracture Analysis Code in 2 Dimensions)二维断裂分析有限元软件,并结合大型有限元软件ABAQUS,对Cu/WC_p双层及多层功能梯度材料的疲劳裂纹扩展进行数值模拟研究,控制疲劳裂纹沿不同梯度方向扩展,计算出裂纹扩展中的应力强度因子幅(ΔK),绘制出疲劳裂纹扩展速率曲线,以及裂纹扩展速率和裂尖距界面距离l的关系曲线(da/dN-l),将模拟计算结果与试验结果进行对比分析。研究表明:结合FRANC2D和ABAQUS的数值模拟方法,在比较复杂的叠层功能梯度材料有限元模型建立中具有很大的优势,可以快速地计算功能梯度材料的应力强度因子值;发现材料梯度层间界面的存在以及材料梯度含量的变化,对功能梯度材料裂纹扩展的整个阶段都存在很大影响;梯度层的数量对功能梯度材料的疲劳裂纹扩展速率也有一定影响。     

疲劳短裂纹形成和扩展行为研究

平均应力是影响材料疲劳行为的重要因素,选择平均应力下疲劳短裂纹行为作为研究对象,应用裂纹位错理论和椭球体异性夹杂理论对疲劳短裂纹问题进行了深入的分析和探讨,在以下几方面取得了新的进展。 首先对不同应力条件下光滑试样的疲劳短裂纹行为进行了系统的试验研究,考察了应力幅、平均应力及微观结构等因素对疲劳短裂纹生长的影响,并给出了一个关于疲劳短裂纹形成和扩展的划分定义;建立了循环应力下的疲劳短裂纹位错模型,通过对疲劳短裂纹及其顶端塑性区与晶界交互作用的分析,建立了疲劳短裂纹门槛应力条件,并由此推导出一个双曲线形式的疲劳极限图线。提出了应用裂纹顶端塑性位移幅度描述疲劳短裂纹生长速率的方法,由疲劳短裂纹形成位错模型给出了一个振荡形式发展的疲劳短裂纹生长速率表达式.其范围包络线可以较好地覆盖疲劳短裂纹速率的试验数据;应用Eshelby椭球体本征应变问题解,求得了裂纹顶端延伸位移。提出应用有效裂纹顶端延伸位移幅度来处理各种应力条件下疲劳短裂纹扩展速率的方法,使得疲劳短裂纹扩展速率在描述上实现了归一。     

拉—拉疲劳下15MnMoVN多裂纹扩展研究

为分析单裂纹或多裂纹在裂纹面承受疲劳拉伸载荷作用下尖端应力强度因子变化规律和裂纹形貌变化以及疲劳寿命情况,以含不同初始长深比的半椭圆单裂纹或双裂纹的薄片试样为研究对象,对试样在应力比R=0.1的疲劳拉伸载荷下单裂纹或双裂纹情况进行了仿真分析。建立含裂纹试样的有限元模型,仿真分析了裂纹在扩展过程中尖端应力强度因子的分布情况,并将单裂纹扩展结果与双裂纹相互作用影响下的结果进行了对比研究;进行含裂纹试样的疲劳实验,分析了含单裂纹或双裂纹的试样的断裂面的形成原因,并验证仿真结果正确性。结果表明,裂纹面之间的相互作用会逐渐影响裂纹的扩展方向、扩展速率以及在扩展过程中尖端应力强度因子的变化趋势;而且初始形貌为半椭圆形的双裂纹在相互作用影响下会逐渐过渡到半圆形。     

基于磁记忆方法的抽油杆裂纹扩展监测

基于拉-拉疲劳实验,利用磁记忆检测仪监测了抽油杆试件疲劳裂纹扩展的整个过程,提取了表征应力集中程度的磁信号合成梯度极限状态系数指标;并结合有限元方法计算了裂纹尖端的断裂力学参量,得到不同裂纹长度所对应的应力强度因子。结果表明:基于实验数据和仿真结果所建立的磁记忆信号特征指标与应力强度因子之间具有很好的一致性,可以有效反映疲劳裂纹的扩展过程以及累积损伤,为再制造前的毛坯筛选提供理论依据。     

基于损伤力学的疲劳裂纹萌生及扩展规律研究

针对金属构件疲劳裂纹的萌生、扩展寿命及其规律等问题,应用损伤力学理论与有限元相结合的方法,建立了计算疲劳裂纹全寿命的统一模型。引入附加载荷法,通过MATLAB编程计算,实现了对刚度矩阵的连续计算,并给出了编程的流程。通过对单个单元的损伤计算,得到了单元从无损到破坏过程中等效应力的变化;通过计算各个构件损伤单元寿命,进而给出了金属构件总体疲劳寿命。分析得到了微裂纹萌生及扩展寿命占总体疲劳寿命的80%以上,并应用有限元软件ANSYS模拟给出了缺口件裂纹萌生及扩展过程。理论计算的结果与试验数据对比基本一致,验证了本工作方法的准确性。     

改进神经网络在疲劳短裂纹演化行为中的应用

为研究短裂纹演化行为中复杂的非线性动力学过程,采用改进BP神经网络算法对疲劳短裂纹的演化行为进行表征.该方法采用遗传算法优化确定神经网络的权重,同时集合BP网络算法的局部精确搜索和遗传算法的宏观搜索、全局优化特性,可以综合多个影响因素,反映其隐含的复杂非线性关系.通过对复杂应力状态下高温低周疲劳短裂纹的试验研究及疲劳短裂纹密度和裂纹扩展速率的模拟比较,表明该方法收敛速度更快、计算更精确,基于该方法建立的疲劳短裂纹演化模型合理有效.     

无网格法模拟复合型疲劳裂纹的扩展

本文提出了用无网格Galerkin法模拟构件在复合变形作用下疲劳裂纹扩展路径并预估其疲劳寿命的方法。该法能够自然模拟疲劳裂纹的扩展,不需要网格重构,避免了裂纹扩展过程中的精度受损。应用无网格数值结果计算了J积分和应力强度因子IK和IIK;按照最大周向应力理论获得了裂纹扩展偏斜角。基于最小应变能密度因子理论,确定了裂纹扩展量aD,并能获得疲劳载荷的循环周数ND。文末对数值模拟结果和实验拟合结果进行了对照。