疲劳裂纹扩展门槛值的研究进展

Ⅰ.引言 大量的研究和疲劳裂纹扩展的试验表明,对于存在一定尺寸裂纹及缺陷的材料或构件,只有当裂纹尖端的应力强度因子达到或超过某一值时,裂纹才会在交变应力的作用下扩展。当裂纹尖端的应力强度因子小于这一值时,裂纹在交变应力作用下不发生扩展。这个应力强度因子值,就是界限应力强度因予幅值△K_(th),在疲劳研究中称为裂纹扩展的门槛值。 门槛值△K_(th)和疲劳裂纹扩展速率da/dN一样,是反映带裂纹或缺陷构件抗疲劳性能的     

测定薄板疲劳裂纹扩展门槛值的升降法

测定疲劳裂纹扩展门槛值传统方法的整个过程只测出裂纹扩展门槛值的一个观测值,而由于材料不均匀等客观因素的限制,传统试验法的结果具有一定的随机性.本文利用升降法的原理,提出一种测定疲劳裂纹扩展门槛值的升降法:预制裂纹并逐级降载使裂纹扩展速率接近门槛值速率,设定应力强度因子的级差,按照设定级差逐级降载,直至裂纹扩展速率低于门槛值速率,然后开始升载,直至裂纹扩展速率高于门槛值速率,再开始降载,如此重复进行即可以在疲劳裂纹扩展门槛值附近测得多对相反的数据点.运用小子样升降法数据处理方法,就可得到疲劳裂纹扩展门槛值的均值和方差.最后通过某型铝合金薄板疲劳裂纹扩展门槛值的测定试验验证了此方法的可行性.     

基于X-射线CT方法的岩石小裂纹扩展过程分析

岩石的小裂纹起裂及扩展过程是岩石力学研究的一个关键问题。对软硬两种砂岩进行单轴加载试验,同时用高分辨率的螺旋CT扫描机进行实时扫描。通过对获得的CT图像的分析处理发现,CT差值图像中的方差值与小裂纹的扩展速率有密切的关系,建立CT差值图像中的方差值与应力关系曲线,可以直观地看出:1)岩石样品中小裂纹起裂门槛值:软砂岩样品小裂纹扩展的门槛值为岩石强度的55%,小裂纹的扩展强度占整个强度的73%。硬砂岩小裂纹扩展的门槛值为岩石强度的64.5%,小裂纹的疲劳强度占整个强度的79%;2)小裂纹的扩展规律,即:在加载的初期岩石中小裂纹的扩展速率缓慢增大,在小裂纹扩展的门槛值出现之前快速下降,小裂纹扩展的门槛值出现之后又快速增加,最后当裂纹长度达到一定值时与长裂纹扩展速率基本一致。     

含预制裂纹L形梁柱试件动态断裂过程

针对含预制裂纹L形梁柱试件,为研究预制裂纹动态扩展的力学特征及其对梁柱试件破坏模式的影响,采用数字动态焦散线实验系统,对距节点核心区不同距离l处含有预制裂纹的试件进行落锤冲击实验,得到预制裂纹的扩展轨迹、速度、动态应力强度因子的变化规律。结果表明,l值增大,扩展裂纹在梁下边缘的贯通点与预制裂纹的夹角逐渐增大,曲裂程度变大。裂纹扩展速度随着l的增大振荡性增强,裂纹扩展平均速度逐渐降低。l值为2 mm时,裂尖表现为Ⅰ型断裂,l值增大,裂尖受到剪应力作用增强,Ⅰ型动态应力强度因子减小,Ⅱ型动态应力强度因子增大,断裂逐渐转变为Ⅰ-Ⅱ复合型。     

常幅载荷下结构元件断裂可靠度估算的应力强度因子模型

给出了一个估算结构元件疲劳可靠度的应力强度因子模型,系统阐述了元件在常幅载荷下疲劳可靠性的分析方法。该模型研究了常幅载荷作用下材料瞬时裂纹长度和应力强度因子的分布形式,建立了应力强度因子与断裂韧性之间的干涉关系。对7075-T7351铝合金中心裂纹试件试验数据分析的结果表明：裂纹的瞬时扩展长度和可靠度的预测结果均与试验结果符合很好,本文给出的基于应力强度因子的可靠性分析模型是合理的。     

论侧向应力与疲劳裂纹扩展

本文通过对Ⅰ型平裂纹及复合型斜裂纹的疲劳试验说明:虽然平行于裂纹面的正应力(侧向应力)对应力强度因子不起作用,但是对裂纹顶端的塑性变形,从而对疲劳裂纹扩展速率却有明显的影响.相应于同样的应力强度因子幅值,当双轴载荷比λ=1时,侧向应力为零,裂纹扩展最慢;随着λ值减小,裂纹扩展速率增大.因此,在估算疲劳寿命时,如果只考虑应力强度因子幅值的作用,而忽略实验加载条件和实际加载条件下侧向应力差别的影响,必然会带来较大的误差,甚至是不安全的.     

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。     

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     

含轴向表面裂纹海洋管道的应力强度因子分析

基于权函数方法,对表面含有轴向裂纹的海洋管道进行分析,给出了计算裂纹前端应力强度因子的积分表达式,进一步导出了满足工程精度要求的应力强度因子的实用计算公式.研究了具有此类裂纹的海洋管道在内压作用下,裂纹最深点和表面点的应力强度因子随裂纹深度和裂纹纵横比的变化规律,并对其可靠度进行了评估.数值结果表明:含轴向裂纹海洋管道的应力强度因子随裂纹长度和深度的增加而增加;当裂纹长度和深度、管道壁厚和半径以及荷载为随机变量时,其可靠度随压力均值的增大而减少.该方法为海底管道的断裂计算和可靠性分析提供了参考依据.     

三维裂纹应力强度因子计算综述——Ⅰ.分析解法

50年代后期Irwin提出了应力强度因子的概念。它是反映裂纹前缘应力场奇异性强度的一个参量。由于应力强度因子与裂纹扩展的应变能释放率是直接相关的,于是裂纹扩展的Griffith能量准则可用这个参量来表达,它们之间是等价的。也就是说,当张开型应力强度因子值K_I达到或者超过某一临界值K_(IC)时,裂纹将      

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采用有限元方法对表面含有两个不同大小半椭圆裂纹的有限厚矩形板在拉伸载荷作用下 进行参数化求解，得到两裂纹取不同尺寸和位置坐标时附属裂纹(尺寸较小裂纹)对主 导裂纹(尺寸较大裂纹)前沿参考点($\theta= 0, \pi/2, \pi $)处的应力强 度因子的影响系数$\beta$, 然后结合神经网络技术建立了相邻裂纹尺寸和位置参 数到主导裂纹前沿点处$\beta$的多变量非线性映射关系.     

Determination of stress intensity factor with direct stress approach using finite element analysis

In this article,a direct stress approach based on finite element analysis to determine the stress intensity fac-tor is improved.Firstly,by comparing the rigorous solution against the asymptotic solution for a problem of an infinite plate embedded a central crack,we found that the stresses in a restrictive interval near the crack tip given by the rigorous solution can be used to determine the stress intensity fac-tor,which is nearly equal to the stress intensity factor given by the asymptotic solution.Secondly,the crack problem is solved numerically by the finite element method.Depending on the modeling capability of the software,we designed an adaptive mesh model to simulate the stress singularity.Thus, the stress result in an appropriate interval near the crack tip is fairly approximated to the rigorous solution of the corre-sponding crack problem.Therefore,the stress intensity factor may be calculated from the stress distribution in the appro-priate interval,with a high accuracy.     

自增强厚壁圆筒疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析

本文提供了自增强厚壁圆筒疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析的方法和公式,自增强残余应力用符合厚壁筒用钢具有强化和包辛格效应实际性能推得的公式进行计算,残余应力对应的应力强度因子的计算采用了有限元法,得到了工作内压与自增强残余应力共同作用下的厚壁筒应力强度因子公式,通过实验测定了厚壁筒用钢的断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率等性能。     

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。     

变厚度壁板损伤容限特性研究

从损伤容限设计概念出发，进行了变厚度壁板的裂纹尖端应力强度因子、剩余强度、裂纹扩展寿命分析，充分讨论等重量设计原则下变厚度壁板的可靠性、安全性，提出变厚度壁板损伤容限设计原则。给出的变厚度壁板应力强度因子是由基本构型因子组合而成，由此可以直观地看出各参数地影响，同时为工程应用中获取应力强度因子提供简洁有效的途径。     

自紧身管临界裂纹尺寸的概率断裂力学研究

基于概率断裂力学理论和Mome Caflo模拟方法，本文进行了自紧身管临界裂纹尺寸的可靠性研究。自紧身管内表面的疲劳裂纹考虑为半椭圆形式。裂纹尖端处的应力强度因子由内压和自紧残余应力共同产生。自紧残余应力采用了符合身管材料具有强化和包辛格效应性能推导的公式计算，它产生的应力强度因子通过权函数方法得到。根据断裂准则，可计算出自紧身管的临界裂纹尺寸。实例分析表明，对数正态分布为临界裂纹尺寸的最佳分布，同时给出了在各种置信度和可靠度下自紧身管的临界裂纹尺寸。     

黏弹性体界面裂纹的冲击响应

研究两半无限大黏弹性体界面Griffith裂纹在反平面剪切突出载荷下,裂纹尖端动应力强度因子的时间响应,首先,运用积分变换方法将黏弹性混合黑社会问题化成变换域上的对偶积分方程,通过引入裂纹位错密度函数进一步化成Cauchy型奇异积分方程,运用分片连续函数法数值求解奇异积分方程,得到变换域内的动应力强度因子,再用Laplace积分变换数值反演方法,将变换域的解反演到时间域内,最终求得动应力强度因子的时间响应,并对黏弹性参数的影响进行分析。     

裂纹端部细短纤维的应力分析

基于裂纹端部存在与其裂纹面相垂直的二相细短纤维分析模型，采用叠加原理推导了求解纤维表面应力分布函数的积分方程，通过简化得到了该方程的解析表达显式，该积分方程的特征值方程是纤维几何参数，材料常数以及纤维相对于裂纹位置的相关函数，当材料参数不满足特征方程时，积分方程将具有唯一解；并借助数值方法，给出了纤维剪应力分布算例，和纤维对应力强度因子的影响。     

Propagation of a cleavage crack front across a field of persistent grain boundaries

The nonuniform propagation of a cleavage front across a field of persistent grain boundaries is analyzed. When a cleavage crack advances in a field of grains, some of the grain boundaries cannot be directly broken through, which interrupts the crack growth process. When the crack front bypasses such persistent grain boundaries (PGB), the overall crack growth driving force must be increased so that the local stress intensity can overcome the local fracture resistance. A theoretical model is developed based on the R-curve analysis. A closed-form expression of the critical stress intensity factor is given as a function of the line content of PGB.