海洋平台K型管节点的疲劳裂纹扩展分析 II:数值分析

对于已含初始裂纹平台管节点的寿命预测很大程度上依靠应力强度因子的精确值,而复杂载荷条件下的节点应力强度因子的计算尚无参数方程直接确定。本文提出了一种含表面裂纹的K节点的有限元网格产生方法,即把整个K节点划分为几个子区域,每个子区域的网格具有不同类型的单元和不同的密度。这种方法在控制网格密度,尤其是控制沿着裂纹边缘单元的边长比方面有其独特的优越性,当所有子区域的网格自动产生后,容易得到整个结构的有限元模型。同时用J积分和位移外推插值法分别计算了一个K型节点沿着裂纹前缘的应力强度因子值,发现:试验得到的应力强度因子值和提出的模型计算结果非常吻合,证明了所提有限元模型的准确性。     

状态向量的扩展有限元方法研究

利用哈密顿正则方程的半解析法计算单元位移场和应力场,可以得到精度比较高的解.但此半解析法在计算应力尖峰区域时,该区域要细化网格.当裂纹扩展时,又要重新生成刚度矩阵进行求解,导致求解效率降低.利用扩展有限元处理裂纹的不连续性,当裂纹扩展时可以避免网格的重构.为充分利用状态向量方程和扩展有限元的优势,该文将两者结合起来分析材料的断裂问题:计算应力强度因子和模拟裂纹扩展.最后通过算例分析,验证了该文提出方案的可行性.     

拉伸螺杆半椭圆表面裂纹应力强度因子

将拉伸螺杆简化为理论应力集中系数Kt不同的带“V”形缺口圆杆,采用裂纹尖端为20节点奇异单元的三维有限元模型,对螺杆半椭圆表面裂纹的应力强度因子进行了计算.给出了具有普遍性意义的螺杆表面裂纹应力强度因子公式.为验证本文计算结果的有效性,还将本文M22×1.5螺杆的应力强度因子计算结果与试验结果进行了对比.     

拉伸载荷作用下共面表面裂纹间应力强度因子影响系数的有限元分析

采用参数化有限元方法,结合节点力法和循环迭代算法,对一有限厚矩形板表面有两个相邻共面半椭圆表面裂纹在拉伸载荷作用下进行了求解,得到了两裂纹在不同形状和相隔距离时的应力强度因子的影响系数,计算结果对含三维广布裂纹结构的剩余强度和疲劳寿命有参考意义.     

滚动接触下的轨道表面三维裂纹研究方法

针对已有的求解三维裂纹的应力强度因子方法工作量大、难以实现复杂的三维模型建立的问题,提出了一种求解广义移动荷载下三维裂纹尖端应力强度因子的普遍方法。采用包络式三维实体建模方法,有效避免了三维裂纹有限元模型网格划分时因受限于拓扑误差容忍而出现网格划分失败的现象;通过MATLAB三维插值施加节点荷载,解决了不规则三维裂纹有限元模型施加复杂空间荷载的难题。计算结果表明:荷载中心距离裂纹中心约4mm时裂纹尖端应力强度因子达到最大值7.41×107Pa·m1/2;轮轨接触疲劳以张开型为主。此外,给出了最大应力强度因子条件下裂纹尖端塑性区的分布及裂纹扩展情况,可为轮轨滚动接触疲劳的研究及设计提供一定的参考。     

海洋平台K型管节点的疲劳裂纹扩展分析Ⅰ:试验测试

对承受疲劳载荷的海洋平台K型管节点首先进行了静力测试,确定了沿着焊缝的热应力区的应力分布及热应力区最大应力点的位置,从而判断裂纹产生的位置;然后通过专用测试设备提供循环疲劳载荷,用ACPD(Alternating Current Potential Drop,即交流电流势能落差法)技术检测裂纹的产生和增长过程,得到裂纹最深点,用S-N曲线估算其疲劳寿命。对已有裂纹的K型管节点,用应力强度因子估计其剩余寿命。同时用测试的结果验证了S-N的准确性和可靠性。     

应力梯度不均匀时平板表面裂纹的应力强度因子

本文采用考虑裂纹面上具有任意分布载荷的线弹簧模型,在Kirchhoff板弯曲理论的假设下,将含半椭圆型表面裂纹的平板问题化为一组耦合的积分方程组进行求解,对均匀拉伸和纯弯曲两种载荷作用下的应力强度因子数值解,同经典线弹簧模型和有限元解进行了比较,并给出了经典线弹簧模型不能得到的、裂纹面上承受幂次不均匀应力分布时应力强度因子的数值解.     

扩展有限元裂尖场精度研究

论述了扩展有限元方法和基本原理,研究了单元类型(四边形单元和三角形单元、线性单元和二次单元)、网格密度、J积分区域半径等因素对裂尖局部应力场(应力强度因子)计算精度的影响。研究发现,上述因素对裂尖应力强度因子计算的收敛速度与稳定性影响不大,证实了XFEM可以用较少的节点获得较高的裂尖场精度,并提出了通过固定裂尖附加区半径可以进一步改善XFEM的收敛速度。     

空心车轴不同深度表面裂纹应力强度因子研究

分析了空心车轴的旋转弯曲载荷的特点,建立了空心轴表面周向半椭圆裂纹的模型,给出了半椭圆裂纹的构形参数定义,即形状比、深度比和裂纹前缘相对位置。采用四分之一20节点等参退化奇异单元,通过有限元计算,模拟裂纹前沿的应力奇异性。在此基础上,计算了裂纹前缘表面点和中心点的应力强度因子随着裂纹扩展深度和旋转角度的变化。计算结果表明,对于给定的裂纹构形,在车轴的一个载荷循环中,裂纹前缘同一相对位置的应力强度因子是不断变化的,不同位置的应力强度因子在达到最大值的角度也是不同的,这就导致了裂纹前缘表面点在一些角度下的扩展是不对称的。这些结果为进一步研究空心轴表面裂纹的扩展路径和寿命提供了参考。     

焊接节点半椭圆表面裂纹应力强度因子的权函数计算

本文采用一种改进的权函数法来计算焊接节点半椭圆表面裂纹应力强度因子ＫＩ值，并给出了相应的数值处理方法，就Ｔ型板节点进行了数值验算。     

多参量断裂力学广义杂交/混合裂纹有限元法

通过研究广为人知的断裂力学单变量八节点位移裂纹QPE元和Akin族奇异单元法，本文运用经典局部裂纹解析解，与非协调假设应力杂交-混合元列式方法相结合，提出用于分层各向异性材料的多变量半解析假设应力奇异广义杂交／混合裂纹有限元法，能克服现有位移裂纹元法的域应力分布精度低和高次单元所需计算容量大的局限性，互为补充，更有利于结构裂纹扩展分析和应用研究。文中设计了一个半解析奇异裂纹平面单元，各向同性材料板算例验证了退化二次八节点协调位移裂纹元及六节点非协调奇异应力裂纹元，说明采用稀疏及加密单元网格，两类裂纹单元分别从上下逼近收敛于实验和理论参考解，可得到吻合程度较好的1／√r奇异应变和应力分量以及应力强度因子值，表明了本文奇异裂纹单元理论的优越性。     

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。     

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。     

含表面半椭圆裂纹板裂纹尖端应力强度因子的三维光弹分析

本文用三维光弹法得到了含表面半椭圆裂纹板拉伸载荷下应力强度因子 K_Ⅰ沿整个裂纹前缘的分布及由不同裂纹深度引起的有限厚度效应,得到的实验结果与理论结果进行了比较和分析,并对角点上的奇异性进行了定性分析.     

海洋平台K型管节点的疲劳裂纹扩展分析I:试验测试

对承受疲劳载荷的海洋平台K型管节点首先进行了静力测试,确定了沿着焊缝的热应力区的应力分布及热应力区最大应力点的位置,从而判断裂纹产生的位置;然后通过专用测试设备提供循环疲劳载荷,用ACPD(Alternating Current Potential Drop,即交流电流势能落差法)技术检测裂纹的产生和增长过程,得到裂纹最深点,用S-N曲线估算其疲劳寿命.对已有裂纹的K型管节点,用应力强度因子估计其剩余寿命.同时用测试的结果验证了S-N的准确性和可靠性.     

带凸缘弯曲梁应力集中区内表面裂纹应力强度因子的研究

用三维光弹性冻结应力实验技术与修正的多点超定法相结合研究了带凸缘弯曲梁应力集中区内表面裂纹的应力强度因子。分析了不同过渡圆弧的应力集中对两种表面裂纹(半圆形表面裂纹与前缘直线表面裂纹)的影响。用实验方法得到了应力强度因子放大系数的数值.结果表明,应力集中对浅裂纹的影响是更大的,是不可忽视的,但放大系数随表面裂纹的几何形状变化很小。这些对管节点的断裂力学评估提供了有价值的实验依据.     

基于扩展有限元的应力强度因子的位移外推法

针对平面裂纹问题,阐述了扩展有限元法的单元位移模式、推导了扩展有限元法的控制方程、介绍了特殊单元的数值积分技术.基于最小二乘法,建立了应力强度因子位移外推法的计算公式.利用MATLAB编写计算程序,对平面裂纹问题用扩展有限元法进行了计算.基于扩展有限元法的计算结果,分别利用位移外推法和相互作用积分法,对平面裂纹的应力强度因子进行了计算.计算结果表明,位移外推法比相互作用积分法能更方便和准确地计算平面裂纹的应力强度因子.     

平行裂纹交替作用对应力强度因子的影响

本文研究了多个平行裂纹之间交替作用对应力强度因子的影响.通过光弹性实验测试和有限元计算,对含有双裂纹和三个裂纹的纯弯曲梁进行了探讨,并与单个裂纹的应力强度因子作了比较,从而阐明了多个平行裂纹应力强度因子的一些性质.     

海洋平台TT型管节点的极限强度分析

利用非线性有限元方法分析了轴向力作用下多平面TT节点的极限强度。在数值分析中,采用三维20结点固体单元模拟管道结构和焊缝形状,将结构有限元网格划分为不同区域,每个区域的网格独立产生,通过合并形成整个结构的有限元网格。通过控制位移增量法得到了加载过程中载荷和位移之间的关系曲线。使用ABAQUS软件分析了TT节点在支管端部承受轴向载荷的变形及与外部载荷之间的关系,得到了不同参数影响下的TT节点极限强度。