表面裂纹疲劳扩展的数值模拟(Ⅱ)

根据Paris疲劳裂纹扩展规律,对拉伸和纯弯曲疲劳载荷下表面裂纹扩展进行了数值模拟。数值模型中,用三次样条函数曲线拟合裂纹尖端,在裂纹扩展增量计算中考虑了裂纹闭合影响。裂纹形状演化的模拟结果与Newman和Raju经验公式预测结果进行了比较,表明了所采用的数值模拟方法的实用性。研究发现,裂纹闭合对疲劳裂纹扩展过程中的裂纹形状演化以及裂纹尖端的应力强度因子(SIF)分布都有明显影响。同裂纹形状演化一样,疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的SIF分布表现出明显的特征。最后,建议了一个简单函数来统一描述表面裂纹尖端的SIF分布。     

Irving公式的修正

针对疲劳载荷造成的不同应力比和频率对船舶与海洋结构中裂纹扩展速率的影响,本文在分析了疲劳裂纹扩展速率几种经验公式的基础上,考虑了不同应力比与不同加载频率的疲劳载荷作用对直线裂纹和弯曲裂纹扩展速率的影响,提出了相应的计算公式;并与经验公式和现有实验数据进行了比较,验证了所提公式的正确性,研究结果可以直接应用于对不同频率、应力比条件下疲劳裂纹扩展速率的预测。结果表明：在同等应力强度因子变化幅值条件下,疲劳裂纹扩展速率随着疲劳载荷应力比和加载频率的增大而增大,在第一阶段增加比较缓慢、在第二和第三阶段增加非常迅速。本文给出的新型Irving公式适用于疲劳载荷作用下线弹性直线、弯曲裂纹扩展的第一、第二、第三阶段,计算结果比原Irving公式的结果更接近实验数据。该新型Irving公式更具有实用性和准确性。     

估算裂纹应力强度因子的新方法

根据裂纹形状与裂纹尖端应力强度因子分布之间的固有关系，在线弹性断 裂力学条件下，提出了一种按已知I型裂纹应力强度因子分布规律求裂纹形状及相应应力强 度因子的无梯度迭代法. 通过有限厚度、有限宽度板穿透裂纹和表面裂纹的数值模拟实例验 证了所提出方法的有效性和实用性，并对不同应力强度因子分布规律对裂纹形状以及相应的 应力强度因子大小的影响进行了分析和讨论. 所提出的方法有助于提高实际扩展裂纹应 力强度因子的估算精度以及更合理地预测疲劳裂纹形状演化.     

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。     

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...     

基于子模型法的带有表面裂纹钢丝应力强度因子研究

钢丝裂纹应力强度因子是进行钢丝疲劳断裂寿命评估、疲劳裂纹扩展分析和钢丝断裂强度评估等工作的重要参数。本文首先介绍了裂纹扩展分析软件FRANC3D,然后基于子模型法模拟研究了拉伸荷载作用下带有表面裂纹钢丝的应力强度因子,裂纹种类包括直线形裂纹和半圆形裂纹,最后拟合得到拉伸荷载作用下带表面裂纹钢丝的应力强度因子形状修正系数表达式,分析了利用该公式进行承载力评估时产生误差的原因。研究结果表明,利用子模型模拟分析拉伸荷载作用下带有表面裂纹的钢丝应力强度因子时计算精度高,计算速度快,对计算机硬件要求低;利用该方法得到的钢丝裂纹应力强度因子,在进行索承式桥梁吊索安全性能评估时,评估结果更精确。     

航空发动机压气机叶片振动疲劳裂纹扩展规律研究

以某型航空发动机压气机2级转子叶片为例,研究了叶片的振动疲劳裂纹扩展规律。研究过程中,首先利用有限元方法分别计算了试验状态与工作状态下叶片振动导致的裂纹尖端应力强度因子范围随裂纹长度的变化;试验研究了裂纹扩展速率与裂纹长度的关系。之后,综合计算结果和试验结论,得出叶片试验状态与工作状态下的裂纹扩展规律,并与Paris公式进行了比较,发现叶片的振动疲劳裂纹扩展速率dad N是与裂纹长度a和裂尖应力强度因子范围IΔK相关的多项式,而Paris公式不能描述叶片的振动疲劳裂纹扩展现象。研究结论可进一步确定叶片的损伤容限、确定合理的叶片检修周期,为保障飞行安全奠定基础。     

扭力轴三维裂纹扩展寿命仿真研究

对疲劳载荷谱作用下三维表面裂纹,采用双重边界元理论求解裂纹前沿的应力应变场,运用Forman理论、最小应变能密度法和Elber模型,计算裂纹前沿各点的扩展长度、扩展方向和应力强度因子等特征量.根据增量步下裂纹几何形状的改变,对裂纹面进行网格重划分和迭代计算,模拟三维裂纹的扩展,预测裂纹扩展寿命.扭力轴表面裂纹扩展的仿真结果表明该方法合理可行.     

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.     

考虑疲劳裂纹扩展三维效应的James—Anderson修正方法

James-Anderson方法是一种借助材料疲劳裂纹扩展速率性能来确定三维裂纹应力强度因子的重要实验方法。本文对James-Anderson方法中的疲劳裂纹扩展三维效应进行了分析，并对其进行修正。修正后的James-Anderson方法考虑了疲劳裂纹扩展中由于应力状态而引起的三维效应。研究结果表明：和James-Anderson方法相比，修正后的James-Anderson方法得到的应力强度因子和三维数值方法所得的应力强度因子更吻合。     

大学物理《力学》中的自由度分析

对《力学》中的物体自由度进行多方面分析,以深化教学、提高学生正 确分析物理问题的能力.使用实际教学分析的研究方法,在《力学》范围内讨论自由度与坐标、 自由与约束的关系并得以下结论: (1) 同一物体的自由度随其所在的``空间'不同而不同, 不因坐标系的选取不同而 异, 在同类参考系中不因参考系的动静而有别;(2)自由度遵循叠加原理. 讨论了质点系的总自由度及相关计算问题,并指出研究《力学》中自由度的意义.     

Development and design of new methods of measurement of state of strain of structures

The present paper deals with development and design of new methods utilizing Wiedemann's effect for determination of state of strain in building structures. Wiedemann's effect and some features of torsional strain of magnetic field are the basis of new experimental method. Especially the point electromagnetic strain gages using the effect of pure torsion of electromagnetic field to enable universal examination. For strain-gage measurements, almost all physical quantities are used which can be related to the variation in length of the structures. From the electric strain measurements, the most commonly used methods are the measurements by resonance-wire strain gages or by electric-resistance strain gages. In this paper, electromagnetic strain gages are discussed using the Wiedemann effect, and the author describes some new measuring equipment and his own suggestions and methods based on an application of this effect.     

Calculation of aerodynamic characteristics of arrays of profiles of arbitrary shape

It is well known that the problem on nonseparating potential flow of an incompressible fluid about an array of profiles reduces to an integral equation for a certain real function, determined on the contours of the profiles of the array. As such a function one can take, as was done, for instance, in [1–5], the relative velocity of the fluid on the profiles of the array. For arrays of profiles of arbitrary shape it is necessary to solve the corresponding integral equation numerically. In the particular examples of the calculation of aerodynamic arrays that are available [1–3] the numerical methods used were based on the approximate evaluation of contour integrals by rectangle formulas. As investigations showed, sizeable errors arose thereby in the approximate solution obtained, these being especially significant in the case of curved profiles of relatively small bulk. In the present paper a method for the numerical solution of the integral equation obtained in [5] is proposed. The method is based on the replacement of a profile of the array with an inscribed N polygon, the length of whose sides is of the order N^–1 and whose internal angles are close to . Convergence with increasing N of the numerical solution to an exact solution of the integral equations at the reference points is demonstrated. Examples of the calculation are given.Novosibirsk. Translated from Izvestiya Akademii Nauk SSSR. Mekhanika Zhidkosti i Gaza, No. 2, pp. 105–112, March–April, 1972.     

Method of constructing estimates of the solution of equations of filtration of an aerated liquid

The exact solutions of the nonlinear equations of filtration of an aerated liquid have been obtained in [1–3]. In [4] the system of equations of an aerated liquid have been reduced to the heat-conduction equation under certain assumptions. An approximate method of computing the nonsteady flow of an aerated liquid is given in [5], where the real flow pattern is replaced by a computational scheme of successive change of stationary states. In [6] the same problem is solved by the method of averaging. In the present article estimates of the solution of the equations for nonstationary filtration of an aerated liquid in one-dimensional layer are constructed under certain conditions imposed on the desired functions. These estimates can be used as approximate solutions with known error or for the verification of the accuracy of different approximate methods. We note that the use of comparison theorem for the estimate of solutions of equations of nonlinear filtration is discussed in [7–9]. The methods of constructing estimates of solutions of various problems of heat conduction are given in [10, 11]