电磁热效应止裂效果与裂纹走向关系的研究

采用理论、实验与数值分析的方法研究了在电磁热效应裂纹止裂中 ,由于裂纹走向不同导致裂纹尖端的温度场、温度梯度场分布状态的不同 ,并定量计算了它们的分布规律和差值。数值模拟计算应用了耦合场理论中热 电耦合 (焦耳热问题 )的分析方法。三方面的研究结果均表明 :在裂纹尖端处 ,由于电流产生的焦耳热源的作用 ,能够在很小的范围内熔化形成微小的焊口 ,遏制了裂纹的扩展 ;裂纹的走向是影响裂纹尖端温度场数值和温度梯度场变化即电磁热效应裂纹止裂效果的主要因素之一。     

利用焦耳效应提高含裂纹金属构件抗裂性能问题的研究

设一无限大金属薄板中含有一个线裂纹,对金属板施加恒定的电流场,在两个裂尖处产生的热量远远大于其余地方产生的热量,可简化成两个点热源．经求解得到了问题的解析解,包括裂纹尖端附近区域温度、应力、应变、应变能密度因子的解析表达式．计算结果表明,裂纹尖端处的材料发生熔化而形成一个焊点,裂纹尖端明显纯化,可抑制裂纹的进一步扩展,提高含裂纹金属构件的抗裂性能．     

电流通入瞬间导电板内裂尖附近的热电磁效应

研究了在向含裂纹的无限大导电薄板中通入电流的瞬时 ,裂纹尖端附近的电磁场和温度场。给出了导电薄板中裂纹尖端区域附近的电流密度以及由于集中效应而产生的焦耳热源功率的表达式。在此基础上 ,通过对热传导方程的求解 ,推得了裂纹尖端区域处温度的具体表达式。数值算例证实了 ,在给定参数的情况下 ,适当强度电流的通入 ,可使裂纹尖端处温度升高以至熔化 ,形成焊口 ,从而达到裂纹止裂的目的     

GCr15凹模环形裂纹电磁热局部跨越止裂的模拟研究

裂纹止裂技术是当前工业生产和实际应用中急需解决的关键问题;利用电磁热效应对带有裂纹的金属构件进行止裂,是达到延长工作寿命、提高安全性可靠性的一种行之有效的方法;本文采用有限元方法研究了带有半埋藏环形裂纹的轴对称GCr15凹模电磁热局部跨越止裂;建立了超强脉冲电流放电瞬间,环形裂纹尖端附近电场、温度场和热应力场的耦合关系。数值模拟分成热-电耦合(焦耳热问题)和热-机械耦合两个过程来实现,通过数值解析轴对称模型,给出了脉冲放电瞬间GCr15凹模中的电流-温度-热应力的求解过程,得到了脉冲放电瞬间半埋藏环形裂纹局部跨越止裂时凹模的温度场和热应力场。数值模拟研究结果表明:由于热集中效应,在放电瞬间裂纹尖端金属熔化,并形成局部堆焊,阻止了干线裂纹源的开裂,达到了止裂的目的。     

带有半埋藏空间裂纹的Cr12构件电磁热止裂分析

对带有半埋藏环形裂纹的Cr12标准拉伸试件进行了电磁热止裂研究.通过ZL-2型放电装置实现了半埋藏空间裂纹的止裂实验,采用微机控制电子万能试验机完成了止裂前后试件拉伸性能测试,同时计算了电磁热止裂前后应力强度因子的变化;建立了超强脉冲电流放电瞬间,环形裂纹尖端附近电流绕流、温度场和热应力场的数值分析模型,通过热-电耦合和热-机械耦合两个过程得到了脉冲放电瞬间拉伸试件中的电流矢量场、温度场和热应力场.研究表明:脉冲电流放电瞬间,围绕裂纹尖端金属熔化,钝化了裂尖,并围绕裂尖形成了热压应力场,得到了超细化的金属组织,止裂后抗拉强度得到了提高,达到了止裂的目的.     

带有两个共线裂纹载流薄板温度场的复变函数解

采用复变函数方法对带有两个共线穿透裂纹的导电薄板，在瞬间电流作用下的温度场进行了计算。针对带有两个共线裂纹或夹杂的载流薄板形成了边值问题，给出封闭形式的解，得到了电流在裂纹尖端的奇异特征。在形成了点热源的基础上，导出裂纹端附近区域的温度场表达式，为计算裂纹尖端附近应力场打下了基础。     

各向异性压电材料平面裂纹的耦合场分析

用Stroh方法分析了各向异性压电材料电导通型裂纹问题的耦合场。结果表明,裂纹面上的切向电场强度和法向电位移均为常数,在裂纹尖端有由弹性场的耦事作用产生的奇异电导通裂纹模型中的静电场对裂纹尖端扩展的能量释放率不作贡献。     

可压缩粘弹性材料Ⅱ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究粘性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了可压缩粘弹性材料II型动态扩展裂纹的力学模型,推导了可压缩材料Ⅱ型动态扩展裂纹的本构方程.在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级r-1/(n-1).通过渐近分析求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近解,并采用打靶法求得了裂纹尖端应力、应变和位移的数值结果,给出了应力、应变和位移随各种参数的变化曲线.数值计算表明,弹性变形部分的可压缩性对Ⅱ型裂尖应力场影响甚微,而对应变场和位移场影响较大.裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制.当泊松比ν =0.5时,可以退化为不可压缩粘弹性材料Ⅱ型动态扩展裂纹.     

载流板中半无限裂纹形成瞬间尖端域的应力场

给出载流无限大薄板在形成半无限长裂纹的瞬间，尖端附近的温度和应力的具体表达式。通过算例表明：在电流所产生的焦耳热源的作用下，裂尖区域处的温度将瞬时升高，并伴有压应力的产生，从而可达到阻裂纹扩展的目的。     

I型定常扩展裂纹尖端的弹黏塑性场

考虑材料在扩展裂纹尖端的黏性效应，假设黏性系数与塑性应变率的幂次成反比，对幂硬化材料中平面应变扩展裂纹尖端场进行了弹黏塑性渐近分析，得到了不含间断的连续解，并讨论了I型裂纹数值解的性质随各参数的变化规律. 分析表明应力和应变均具有幂奇异性，并且只有在线性硬化时，尖端场的弹、黏、塑性才可以合理匹配. 对于I型裂纹，裂尖场不含弹性卸载区. 当裂纹扩展速度趋于零时，动态解趋于准静态解，表明准静态解是动态解的特殊形式；如果进一步考虑硬化系数为零的极限情况，便可退化为Hui和Riedel的非线性黏弹性解.     

单边裂纹通电瞬间裂尖处应力场的复变函数解

本文应用复变函数中的Schwarz-Christoffel变换方法，在具单边裂纹的导电薄板通电瞬间温度场复变函数解的基础上，推导出用复变函数表示的应力场的表达式，并且给出算例，通过理论计算得知；当对具有单边裂纹的导电薄板通入适当密度的电流时，裂尖处温度急剧升高并熔化便裂尖变钝。同时，在裂尖周围形成了有利于遏制裂纹扩展的压应力场，有效地防止了裂纹沿其主方向和其它方向延伸。从理论上证明了电磁热效应在裂尖处产生高温形成焊口的同时，压应力场的形成是遏制裂纹扩展的主要因素之一。理论计算结果与实验结果比较吻合，为这一止裂方法的应用打下了理论基础。     

具有半边裂纹导电薄板放电瞬间的温度场数值模拟

采用数值模拟方法 ,模拟计算了具有半边裂纹的导电薄板在放电瞬间的温度场分布。计算结果表明 :在裂纹尖端附近由于电磁热的集中效应 ,可使材料熔化形成焊口 ,裂纹尖端处的曲率半径显著增大 ,并且焊口的温度分布与形状是不完全对称的。裂纹尖端焊口形状的模拟计算结果与试验结果非常吻合。从温度梯度的分布结果可知 ,裂纹前缘附近在放电过程中将产生很大的压应力 ,可显著减少甚至是消除裂纹前缘处的扩展应力数值 ,抑制了裂纹主干线的形成 ,可达到遏制裂纹扩展的目的     

THERMAL STRESS FIELD WHEN CRACK ARREST IN AN AXIAL SYMMETRY METAL DIE USING ELECTROMAGNETIC HEATING

In order to solve the thermal stress field around crack tip in metal die when crack prevention using electromagnetic heating, a metal die with a half-embedded round crack was selected as the study object. The complex function method was used as a basis for the theoretical model of the space crack prevention in metal dies using electromagnetic heating. The crack arrest was accomplished by a pulse current discharge through the inner and outer. The theoretical analysis results show that the temperature around the crack tip rises instantly above the melting point of the metal. Small welded joints are formed at a small sphere near the crack tip inside the metal die by metal melting as a result of the heat concentration effect when the current pulse discharged. The thermal compressive stress field appears around the crack tip at the moment. The research results show that the crack prevention using electromagnetic heating can decrease the stress concentration and forms a compressive stress area around the crack tip, and also prevents the main crack from propagating further, and the goal of crack preventing can be reached.     

载流薄板中裂纹形成瞬间尖端附近的应力场

利用电磁场的热效应对带有裂纹的载流导体进行裂纹止裂,是为了达到延长其工作寿命,提高安全性、可靠性的一种行之有效的方法。本文在文献[1]的基础上,以导电弹性体的麦克斯威尔方程为出发点,借助于边界条件和初始条件,推得了载流无限大薄板在形成裂纹的瞬间,裂纹尖端附近电流密度、温度和应力的具体表达式。通过算例分析证实了：在给定参数的情况下,通入适当强度的电流时,在电流所产生的焦耳热源的作用下,裂尖区域处的温度将瞬时升高,同时伴有压应力的产生,从而可达到阻止裂纹扩展的目的。     

温度对金属材料钼位错发射的影响

应用关联参照模型、随位错位置变化的柔性位移边界条件和三维分子动力学方法研究了体心立方（ＢＣＣ）金属晶体钼在不同温度下裂尖发射位错的力学行为，随着温度的提高，不但发射位错的临界应力强度因子下降而且在同一应 度因子条件下，发射位错的数量出增加，位错速度和不全位错之间的扩展距离对温度不敏感，在位错发射过程中，发现了稳定的和不稳定的两个变形状态，在稳定的有状态，位错发射后，塞积在远离裂纹尖端处；必须增加外     

Effect of temperature on dislocation emission from crack tip for BCC metal Mo

The effect of thermally activated energy on the dislocation emission from a crack tip in BCC metal Mo is simulated in this paper. Based on the correlative reference model on which the flexible displacement boundary scheme is introduced naturally, the simulation shows that as temperature increases the critical stress intensity factor for the first dislocation emission will decrease and the total number of emitted dislocations increase for the same external load. The dislocation velocity and extensive distance among partial dislocations are not sensitive to temperature. After a dislocation emission, two different deformation states are observed, the stable and unstable deformation states. In the stable deformation state, the nucleated dislocation will emit from the crack tip and piles up at a distance far away from the crack tip, after that the new dislocation can not be nucleated unless the external loading increases. In the unstable deformation state, a number of dislocations can be emitted from the crack tip continuously under the same external load. The project is supported by the National Natural Science Foundation of China.     

电磁热效应裂纹止裂研究的进展

利用电磁场的热效应对带有裂纹的载流导体进行裂纹止裂,是达到延长其工作寿命、提高安全性和可靠性的一种行之有效的方法．理论计算和试验观察都证明了：载流导体中裂纹尖端处的热集中效应,能够在附近的一个很小范围内熔化形成微小的焊口,裂纹前缘处的曲率半径瞬间增加了２～３个数量级,显著地减少了应力集中,阻止了干线裂纹源的形成,有效地遏制了裂纹的扩展。本文阐述了这一物理过程的研究现状、进展情况以及未来应用前景．