对塑性诱导裂纹闭合几种影响因素的计算研究

基于塑性诱导裂纹闭合原理,通过弹塑性有限元方法的大规模数值计算分析,考察几何构形(带中心裂纹矩形板和中心孔双边裂纹矩形板)、材料强化模型(线性随动强化和非线性随动强化)、加载方式(等幅循环加载和等应力强度因子K循环加载)和应力比R等因素对疲劳裂纹张开、闭合规律的影响。结果表明,等幅加载中裂纹张开、闭合应力水平随裂纹长度变化且无明确规律可循。而在等K(给定应力比下保持最大应力强度因子不变)加载中,无论是使用不同材料强化模型,还是对应不同几何构形,用瞬时最大应力正则化的裂纹张开、闭合应力水平与裂纹长度无关。相同等K加载条件下,两种几何构形的裂纹张开应力强度因子均保持恒定且大小相近。两种随动强化模型对应的裂尖局部循环特性有差异,所获得的裂纹张开应力水平大小不同,但变化规律相似。文中结果可为更深入地理解疲劳裂纹扩展的驱动力机理提供帮助。     

受面内载荷的层压复合材料的层间应力分析

研究任意多向铺层层压复合材料层间应力的有限元分析方法。分别考虑两种建模方法，一种是采用8结点等参实体单元逐层进行离散化，每个子层都视为正交异性材料；另一种方法是在子层面内采崩4结点板元进行离散化，而在层间采用刚性元和弹簧元进行离散化，称为准三维模型。计算实例为两种不同铺层的T300／QY8911碳纤维／双马树脂层压板条，其中一个板条连续，另一个含圆孔，均受到面内拉伸载衍作用。采用的计算软件为MSc．Nastran。计算结果表明，在受拉板条的自由边和孔口附近存在不能忽视的层间应力。两种建模方法有各自的特点，计算结果可以互相印证，而后一种方法更加灵活和有更广泛的适应性。     

型材筋条裂纹的应力强度因子的工程计算

计算含裂纹筋条的应力强度因子。通过一定假设及工程简化,考虑型材上其余部分的弯曲刚度对含裂纹板条的作用,形成了改进的准三维模型,并编制出相应的有限元分析程序。在假设基础上建立了裂尖下位于拐点处的有限元模型。通过角材筋条的实例计算,获得了裂纹延伸并经过拐点的应力强度因子的连续曲线。本提提出的方法适合于更复杂的型材筋条的分析。     

有机玻璃疲劳裂纹超载迟滞效应的试验研究

进行了飞机座舱盖用MDYB-3定向有机玻璃超载迟滞效应的试验研究。疲劳测试和断口观察表明，MDYB-3材料存在明显的超载迟滞效应，但是迟滞扩展的机理不同于一般金属材料。单个拉伸超载循环会引起裂纹前缘撕裂性的加速扩展，然后立即迟滞。结合有机玻璃的特点，提出了基于平均迟滞扩展速率拟合外推的一种试验方案，近似地得到了所测材料的超载截止比γSO。超载导致裂纹前缘严重钝化和不规则，裂纹迟滞扩展的过程实际上是从钝化的裂纹前缘重新萌生裂纹并扩展的过程。     

压缩载荷对冷胀孔残余应力的影响

用考虑组合强化、增量理论的有限元法计算了２１２４－Ｔ８５１ 板件开缝衬套冷胀孔的残余应力场及其在压缩载荷作用下的变化情况。结果表明冷胀之后的压载循环将引起冷胀残余应力的衰减。一个足够大的压缩载荷能够使冷胀工艺给疲劳寿命带来的增益完全丧失。文中说明压缩载荷对冷胀的作用可以和超载后半周压载对裂纹的作用相比拟,建议在确定合理胀孔量时应当把它对所承受的载荷谱中压缩载荷的敏感性考虑在内,应当加强有关的疲劳对比试验研究及残余应力场测量研究。     

多钉连接钉载分配特性研究方法

利用金属-复合材料层合板紧固件多钉连接件开展拉伸载荷下钉载分配特性的试验和有限元分析研究。试验件为一列三钉单搭接和双搭接连接件。通过应变电测技术获得连接件典型截面应变分布, 再间接估算钉载分配比例。建立了试验件二维、三维有限元模型, 并计算获得应变和钉载分配结果。对比发现, 应变的计算值与实测值吻合, 但钉载分配的计算结果与实测结果存在较大偏差。分析表明: 基于表面应变测量估计钉载分配的方法不能反映连接件的附加弯矩对多钉钉载分配比例的影响; 采用经过应变测量结果验证的有限元模型, 通过数值计算确定钉载分配是一种可行的技术途径; 而应用简化的板-梁二维有限元模型计算钉载分配可以满足工程精度要求。     

Z-pin增强复合材料Ⅰ型断裂韧性数值分析

采用细观力学方法以及虚拟裂纹闭合法(VCCT)对含有Z-pin增强复合材料双悬臂梁(DCB)结构Ⅰ型断裂韧性进行了研究。利用有限元法建立了结构模型,采用实体单元模拟复合材料层压板结构和非线性弹簧元模拟Z-pin。通过计算应变能释放率对含有不同体积分数Z-pin的复合材料层压板Ⅰ型断裂韧性与不含Z-pin的复合材料层压板Ⅰ型断裂韧性进行了对比分析。研究表明,含有Z-pin增强复合材料双悬臂梁(DCB)结构Ⅰ型断裂韧性在裂纹扩展过程中受到Z-pin桥联作用的影响而显著增强,且其增强效果与Z-pin的体积分数、处在桥联区的Z-pin数目均相关,这表明Z-pin增强方法能够有效提高复合材料层压板的分层扩展阻力。     

原位自生TiB2颗粒增强2024-T4铝基复合材料断裂行为数值模拟

利用SEM结合原位观测技术观察了颗粒体积分数为4.17%的原位自生TiB₂颗粒增强2024-T4铝基复合材料（TiB₂/2024-T4）的损伤断裂行为。试验结果表明,TiB₂颗粒偏聚带中的铝合金基体比颗粒稀疏区域中的铝合金基体率先发生断裂。根据这一试验现象建立了三种含随机颗粒偏聚带的二维体胞有限元模型,并施加拉伸载荷和周期性边界条件,推导了平面应力状态下的径向返回算法,结合Rice-Tracey局部失效准则模拟了颗粒偏聚带中微裂纹的萌生及扩展过程。数值分析结果表明：就单个颗粒来说,颗粒两极附近基体损伤最严重。颗粒偏聚导致损伤在颗粒附近基体中迅速累积,并发展成为基体微裂纹,且随着颗粒偏聚程度加剧,材料断裂应变下降。另外,体胞模型应力-应变曲线的非线性部分低于实测曲线,说明除了本文模型反映的载荷传递强化机制外,还需要进一步考虑颗粒对基体的间接强化机制。     

紧固件连接柔度的解析与试验研究

紧固件柔度是机械连接结构设计分析中非常关心的连接特性参数。欧洲工程科学数据库(ESDU)中的98012分部基于弹性基础梁理论,提出计算紧固件连接单钉柔度的基本方程、控制微分方程及其通解形式。该文在此基础上,提出修正的基本方程和边界条件,可将ESDU方法推广应用于不同材料和不同板厚的单搭接和双搭接连接的柔度分析。作为对比,试验测定和计算了几组复合材料-金属单搭接单钉连接件的柔度值,并建立了连接件三维实体有限元模型。连接柔度计算表明,该文改进的ESDU算法的结果与实测结果和有限元分析结果吻合良好。通过计算探讨了板沉陷系数、板剪切刚度和钉头约束等几个参数对连接柔度预测的影响。     

原位自生TiB_2颗粒增强2024-T4铝基复合材料的损伤断裂行为

利用扫描电子显微镜结合原位拉伸试验研究了颗粒体积分数为4.167%的原位自生TiB_2颗粒增强2024-T4铝基复合材料(TiB_2/2024-T4)的损伤断裂机理。TiB_2/2024-T4在拉伸下的损伤断裂行为依次有微裂纹萌生、微裂纹累积和微裂纹贯通3个典型过程。结果表明,TiB_2/2024-T4中初始微裂纹率先在副产物颗粒、微米级的TiB_2颗粒以及TiB_2颗粒团聚体中萌生。随着加载的进行,更多的微裂纹出现在TiB_2颗粒偏聚带中,最终微裂纹通过颗粒稀疏区域铝合金基体的韧性断裂而贯通,形成宏观裂纹。通过分析单胞有限元模型,研究了颗粒偏聚对偏聚带中的基体微裂纹萌生的影响机理。数值结果表明:相比于颗粒稀疏区域的基体,颗粒偏聚带中的基体最大等效塑性应变和应力三轴度均有提高,诱使微裂纹会因为偏聚带中基体微孔洞长大和聚合进程的加剧而提前萌生,这与原位拉伸试验中的现象是一致的。