CTS试样I/II混合型断裂特性数值计算研究

采用CTS试样研究I/II混合型断裂特性计算裂纹前缘应力强度因子时可采用解析公式,一旦裂纹发生扩展,解析公式便不再适用。文中采用有限元法研究紧凑拉伸剪切（CTS）试样在I/II平面混合型加载下的裂纹扩展行为。采用ANSYS建立CTS试样I/II混合型测试系统有限元模型,为模拟真实受力状态,在CTS试样-销-扇型夹具以及扇型夹具-销-U型夹具之间分别建立接触对进行接触力学分析。通过与解析公式结果进行对比验证了该数值方法的可靠性。采用最大环向应力准则（MTS）,模拟了CTS试样不同加载角度下的裂纹扩展路径,获得了裂纹扩展路径中应力强度因子随裂纹长度的变化曲线,解释了裂纹扩展路径不与外载荷方向垂直的原因。结合文中计算结果,在CTS试样I/II混合型裂纹扩展速率实验测得裂纹长度与寿命的关系曲线a-N的基础上,便可得到材料I/II型混合型裂纹扩展速率曲线。     

CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型断裂特性数值计算研究

采用CTS试样研究Ⅰ/Ⅱ混合型断裂特性计算裂纹前缘应力强度因子时可采用解析公式,一旦裂纹发生扩展,解析公式便不再适用.文中采用有限元法研究紧凑拉伸剪切(CTS)试样在Ⅰ/Ⅱ平面混合型加载下的裂纹扩展行为.采用ANSYS建立CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型测试系统有限元模型,为模拟真实受力状态,在CTS试样-销-扇型夹具以及扇型夹具-销-U型夹具之间分别建立接触对进行接触力学分析.通过与解析公式结果进行对比验证了该数值方法的可靠性.采用最大环向应力准则(MTS),模拟了CTS试样不同加载角度下的裂纹扩展路径,获得了裂纹扩展路径中应力强度因子随裂纹长度的变化曲线,解释了裂纹扩展路径不与外载荷方向垂直的原因.结合文中计算结果,在CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型裂纹扩展速率实验测得裂纹长度与寿命的关系曲线a-N的基础上,便可得到材料Ⅰ/Ⅱ型混合型裂纹扩展速率曲线.     

CTS试件中复合型疲劳裂纹扩展

针对复合型循环载荷作用下的金属构件中的裂纹扩展问题进行了实验分析和理论建模. 首先 采用紧凑拉剪试件(CTS)和 Richard研制的复合型载荷加载装置，对承受复合型循环载荷的裂纹进行了实验研究. 实验选择了两种金属材料试件，分别承受3种形式的复合型循环载荷的作用，在裂纹尖端具 有相同的初始应力场强度的条件下考察复合型循环载荷对裂纹扩展规律的影响. 实验结果表明，疲劳裂纹的扩展速率与加载角度有关. 对于同样金属材料的试件，当裂尖处 初始应力场强度相等时，载荷越接近于II型，裂纹增长速率越快. 采用等效应力强度 因子(I型和II型应力强度因子的组合)、裂纹扩展速率及复合强度等参数，以实验数据为 基础，建立了一个疲劳裂纹扩展模型，用来预测裂纹在不同模式疲劳载荷作用下的扩展速率. 为验证其有效性，该模型被应用于钢制试件的数值模拟计算中. 实验结果与模拟计算曲线保 持一致，表明该模型可以用来估算带裂纹金属构件的寿命.     

考虑闭合效应和三维应力约束的表面裂纹扩展模拟

假定承受Ⅰ型常幅载荷下的表面裂纹在扩展中的形状保持为半椭圆,利用Newman半椭圆表面裂纹应力强度因子公式计算应力强度因子。提出了等效厚度的概念,利用穿透直裂纹的研究结果,考虑表面裂纹扩展中塑性致闭和三维应力约束效应。基于Elber模型建立了三维表面裂纹扩展模型。数值模拟了表面裂纹扩展过程,研究了裂纹形状变化及规律,计算了裂纹扩展寿命。将计算结果与有关试验结果进行了对比,吻合较好。     

三维复合型疲劳裂纹扩展试验研究与数值分析

本文在MTS810试验机上进行了不同加载角度的有机玻璃三维Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展试验,通过显微镜记录试样的裂纹扩展过程,同时采用扩展有限元计算出有机玻璃三维Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖端应力强度因子。结果表明,不同加载角度下的裂纹扩展方向基本与外载荷方向垂直,裂纹扩展路径近似为一条直线,且裂纹扩展角度值随加载角度的增大而增加,试验结果符合最大周向应力准则;在厚度方向上,Ⅰ型应力强度因子呈拱形分布,试样厚度中心Ⅰ型应力强度因子最大,由中心向两端逐渐降低,自由表面处最小,同时发现试验过程中裂纹也是从中心开始起裂的,两者相符。Ⅱ型应力强度因子数值分布与Ⅰ型类似,趋近于自由表面时会发生微小突变,但其值总小于Ⅰ型应力强度因子,整个扩展过程中,Ⅰ型应力强度因子占主导。     

一种新的确定应力强度因子的数值方法

应力强度因子是一个非常重要的参数,可以用来估算裂纹和切口的断裂.这篇论文提供了一种基于包含应力集中区域一定体积上的平均应变能密度,来确定应力强度因子的数值方法.对于I型或是II型裂纹的单一加载方式,应力强度因子都可以直接从一定体积上的平均应变能密度的表达式求得其解,但是对于I-II复合型裂纹,情况相对复杂.因此,作者们提出了利用围绕切口尖端一定体积上几组不同关于裂纹切口平分线对称区域上的平均应变能密度,来拟合复合加载下I型和II型应力强度因子的数值方法.为了验证,计算了I-II复合型裂纹的半圆形三点弯曲试样应力强度因子,并与文献中给出的应力强度因子进行了比较.结果表明,提出的数值方法可靠,为平均应变能密度准则的工程应用提供了一种新的思路.     

钢轨表面三维疲劳裂纹扩展数值分析

在车轮循环滚动接触载荷作用下,钢轨接触表面裂纹问题频发,严重威胁高速列车运行安全,开展钢轨表面三维滚动接触疲劳裂纹扩展分析意义重大.首先,考虑不同初始裂纹角度,建立钢轨轨头含初始裂纹的三维有限元模型,对钢轨表面施加循环滚动接触载荷,进行轮轨滚动接触计算;然后,基于相互作用积分法计算裂纹前缘的应力强度因子;最后,采用最大周向应力准则和Paris公式计算当前状态下裂纹扩展方向和扩展速率,进而更新下一时刻的裂纹形状和尺寸.通过对上述过程重复实现,从而预测钢轨表面三维裂纹的扩展路径.加载过程中裂纹前缘应力强度因子计算结果表明,随着初始裂纹角度增加,K_Ⅰ的峰值逐渐减小,K_Ⅱ的峰值逐渐增大,裂纹前缘各位置的等效应力强度因子逐渐减小;裂纹前缘节点的位置越靠近钢轨表面,等效应力强度因子越大.疲劳裂纹扩展计算结果表明,随着循环次数的增加,不同初始角度下的裂纹都发生了偏折,逐渐朝着钢轨深度方向扩展,且裂纹的初始角度越大,发生扩展时需要的循环次数越多.对比三种初始裂纹角度下裂纹长度随循环次数的演化曲线可以发现,初始裂纹角度越小,裂纹扩展速率越大.所开发的方法也适用...     

基于圆弧底试件的动态裂纹扩展及止裂规律研究

为了研究脆性材料的动态裂纹扩展及止裂规律，设计了一种带圆弧形底边的梯形开口边裂纹（trapezoidal opening crack with arc bottom，TOCAB）构型的试件。在落锤冲击设备加载下，对圆心角为0°、60°、90°和120°的TOCAB试件进行了冲击实验，并采用裂纹扩展计(crack propagation gauge，CPG)监测裂纹起裂和扩展时间，从而获得裂纹扩展速度。采用有限差分软件AUTODYN对落锤冲击设备和试件进行数值模拟，研究了裂纹的动态扩展过程及止裂规律。还基于实验和数值方法，计算了裂纹的临界动态应力强度因子。实验和数值结果均表明:3种弧度的TOCAB试件都可以实现运动裂纹止裂，该构型可用于研究动态裂纹止裂问题；数值计算的裂纹扩展路径与实验结果基本一致，验证了数值模型的有效性；裂纹起裂和止裂时刻的临界动态应力强度因子大于裂纹动态扩展过程中的临界动态应力强度因子。     

含广布腐蚀坑结构寿命评估方法

为了定量评估含广布腐蚀损伤老龄化飞机结构的剩余强度, 采用等效裂纹方法将腐蚀坑沿垂 直于外界最大主应力方向进行投影处理, 使其转化为具有相同寿命的等效初始表面裂纹, 然 后采用参数化有限元方法,求解等效裂纹前沿的应力强度因子、裂纹扩展方向和裂纹扩展增量, 建立并应用应力强度因子变化历程, 采用循环接循环的损伤累积方法对含广布等效表面裂纹 在疲劳载荷作用下的寿命进行了预测. 预测结果为复杂环境中含广布腐蚀坑的飞机结构寿命 预测提供了参考.     

高应变率下断裂韧性实验的数值模拟

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA程序对静态和冲击荷载作用下的含裂纹半圆弯曲(SCB)实验进行了数值模拟。根据静态实验的模拟结果,提出了适合复合型加载的Ⅰ型应力强度因子拟合公式,采用该公式计算应力强度因子的最大误差不超过10%。动态实验的模拟结果表明:对于纯Ⅰ型加载的SCB实验,动态应力强度因子随着试样半径、支座间距以及相对裂纹长度的变化呈现规律性变化;当试样半径小于60mm、相对支座间距为1.2、相对裂纹长度在0.1~0.4范围内时,惯性效应的影响较小,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差约10%;对于复合型加载的SCB实验,当相对裂纹长度为0.2~0.4、裂纹倾角在10°~40°范围内时,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差小于10%。     

Investigation on 3D fatigue crack propagation in surface-cracked specimens

In the present work the fatigue crack growth in AISI304 specimens is investigated experimentally. In 3D finite element analysis the virtual crack closure technique is applied to calculate distributions and variations of the stress intensity factor along the surface crack front. It is confirmed that the stress intensity factor along the surface crack front varies non-uniformly with crack growth. Crack growth rate is proportional to the stress intensity factor distribution in the 3D cracked specimen. The fatigue crack growth in surface cracked specimens can be described by the Forman model identified in conventional compact tension specimens. For crack growth in the free specimen surface the arc length seems more suitable to quantify crack progress. Geometry and loading configuration of the surface cracked specimen seem to not affect the fatigue crack growth substantially.     

Application of effective stress intensity factor crack closure model to evaluate train load sequence effects on crack growth rates

An effective stress intensity factor crack closure model is studied in relation to results of laboratory spectrum crack growth tests on compact tension specimens (CTS) fabricated from rail steel. Comparison of model predictions with test results for crack growth life is effected by means of an analysis of a center-cracked tension panel (CCT) subjected to an equivalent stress spectrum. The trends of the model predictions and test results agree as to the effect of changing cycle order in the spectrum, but the actual effect on crack growth life in the laboratory tests is found to be much stronger than the effect predicted by the crack closure model using the effective stress intensity factor.     

用裂纹张开位移计算三点弯曲试样的动态应力强度因子

给出了一种由裂纹的动态张开位移计算三点弯曲试样的动态应力强度因子的简单方法。对于两种不同几何尺寸的试样,在三类不同载荷作用下给出了数植算例,并与完全的动态有限元方法的计算结果进行了比较。结果表明:两种方法的计算结果相当一致。最后,还给出了由测定三点弯曲试样的裂纹张开位移确定试样的动态应力强度因子,最终确定材料动态起裂韧性的方法。     

裂纹闭合和循环塑性预应变及循环载荷压缩部分对裂纹扩展速率的影响

本文针对三种国产材料 Ｌｙ１１ｃｚ、 Ｌｙ１２ｃｚ 铝合金和 １８ Ｍｎ Ｈ Ｐ钢,通过实验初步考察了循环塑性预应变和循环载荷压缩部分对疲劳裂纹扩展的影响;采用电测法,测定了两种铝合金材料疲劳裂纹扩展的张开应力和有效应力强度因子幅值比 Ｕ。结果表明：（１）材料循环塑性预应变和循环载荷压缩部分,都使疲劳裂纹扩展速率提高;（２）常幅载荷下,在疲劳裂纹稳定扩展阶段,有效应力强度因子幅值比 Ｕ 与应力比 Ｒ 有关,与裂纹长度ａ 无关,并依赖于材料的力学性能。     

爆炸载荷下板条边界斜裂纹的动态扩展行为

为了研究爆炸应力波作用下板条边界斜裂纹的动态扩展行为,首先分析了爆炸应力波在含边界斜裂纹板条中的传播,其次采用动态焦散线实验方法,进行了爆炸载荷下板条边界斜裂纹扩展规律的实验研究.研究结果表明,爆炸应力波作用下,板条试件边界斜裂纹的扩展过程中,裂纹扩展速度、扩展加速度和裂尖动态应力强度因子随时间波动变化,扩展速度最大值...     

Modelling of crack growth under cyclic contact loading

The paper describes a general computational model for modelling of subsurface fatigue crack growth under cyclic contact loading of mechanical elements. The model assumes that the initial fatigue crack develops along the slip line in a single crystal grain at the point of the maximum equivalent stress. The position and magnitude of the maximum equivalent stress are determined with the Finite Element Analysis of the equivalent contact model, which is based on the Hertzian contact conditions with the addition of frictional forces. The Virtual Crack Extension method is then used for simulation of the fatigue crack propagation from the initial to the critical crack length, when the surface material layer breaks away and a pit appears on the surface. The pit shapes and relationships between the stress intensity factor and the crack length are determined for various combinations of contacting surface curvatures and contact loadings. The computational results show that the model reliably simulates the subsurface fatigue crack growth under contact loading and can be used for computational predictions of surface pitting for various contacting mechanical elements.     

拉压循环载荷下正交异性钢桥面板肋-面板焊缝裂纹扩展分析

采用四步法计算了考虑循环载荷中压应力影响的正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝表面裂纹扩展。第一步是基于正交异性钢桥面板的疲劳分析模型,计算肋-面板焊缝处的应力,第二步是通过肋-面板焊缝的三维局部模型,用Schwartz-Neumann交替法计算焊缝表面裂纹的应力强度因子分布,第三步是用二维断裂力学模型和增量塑性损伤模型,计算循环载荷中的压应力对裂纹扩展的影响,第四步是用第二步中的三维裂纹分析结果和第三步中的二维断裂力学模型得到的裂纹扩展公式,计算钢桥面板的肋-面板焊缝表面裂纹扩展。计算结果表明,对应于正交异性钢桥面板肋-面板焊缝处的循环应力,本文所用模型的裂纹尖端反向塑性区导致裂纹扩展率增加50%以上。研究结果为正交异性钢桥面板肋-面板焊缝裂纹的疲劳寿命分析提供了研究基础。     

含偏置裂纹三点弯曲梁的动态断裂行为研究

采用动态焦散线方法，对含偏置裂纹三点弯曲梁承受横向冲击的弯曲断裂行为进行了一系列动态断裂力学实验研究，分析了无量纲量ａ／ｌ的改变（ａ——初始裂纹偏离梁中心线的距离；ｌ——梁长度的一半）对于裂纹动态扩展行为（裂纹起始状态、裂纹尖端的复合应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展轨迹）的影响，并借助动态光弹性应力分析，对应力波与扩展裂纹的相互作用以及应力波传播规律进行探讨．给出了裂纹尖端复合应力强度因子、裂纹扩展速度的变化、裂纹曲裂轨迹以及方向与梁中应力波传播的相互关系     

Crack growth under alternating loading

Crack propagation under alternating loading is investigated. Relations between the growth rate of a fatigue defect and loading parameters and the expression for the stress intensity factor are derived for compression of a cracked solid taking into account the possible contact of the crack faces. A model for the deformation of a small region near the crack tip is proposed which allows one to formulate the conditions of residual opening of a growing fatigue crack. The experimental data obtained in tests of steel samples are compared with the results of calculation using the developed procedure. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 49, No. 5, pp. 190–198, September–October, 2008.