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。     

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。     

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．     

电磁热效应裂纹止裂的实验研究

通过本文给出的实验表明：利用电磁场的热效应对载流导体中的裂纹进行止裂是一种行之有效的方法。在电磁场作用瞬间,由于裂尖处的热集中效应,能够使其在附近一定范围内熔化形成微小焊口。由此,裂纹前缘处的曲率半径增加了2-3个数量级。同时,细化了裂纹前缘的显微组织,提高了材料的韧性,显著地减少了应力集中,阻止了干线裂纹源的形成,可有效地遏制了裂纹的扩展。文中介绍了实验原理、方法和结果;讨论了一些参数之间的关系。     

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     

裂纹扩展速度对焦散线的影响和动态应力光学常数的测定

本文从焦散线形成原理的数学描述出发,用扩展裂纹尖端附近的应力分量表达式,在前人工作的基础上,作了详细的数值计算。特别分析了裂纹扩展速度对焦散斑和初始曲线的形状、大小的影响,为测量扩展裂纹尖端的动态应力强度因子K_1~d提供了依据,并通过拟合得到了以裂纹扩展速度为参量的修正因子表达式。本文还提出了一种测定透明材料动态应力光学常数的方法,并用这一方法测定了有机玻璃的动态应力光学常数。     

绕裂尖白亮层的形成及其止裂作用分析

应用电磁热效应对带有裂纹的金属导体通入脉冲电流进行止裂，在裂纹尖端处熔化形成钝化焊口的同时，围绕裂尖的很小范围内形成一白亮层．分析表明：白亮层的形成对裂纹的扩展起到了屏蔽和防止应力腐蚀的作用，进一步提高了钝化止裂的效果．     

带有中间裂纹载流薄板放电瞬间耦合场的数值模拟

应用耦合场理论采用数值分析的方法计算了具有中间裂纹的导电薄板在放电瞬间裂纹端区域附近的温度场、温度梯度场的分布状态。计算结果表明：由于电流产生的焦耳热源的作用，裂纹尖端处温度瞬时急剧升高，能够在很小的范围内熔化形成微小的口，裂纹前缘的曲率半径增加了几个数量级，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，数值模拟采用了热－电耦合的分析方法，考虑了材料电阻随温度变化和电流流过生成的内热源间的相互作用，同时考虑了导热系数和比热随温度变化所产生的影响，对于具有中间裂纹的载流反，根据结构、材质、边界条件及通电电流的对称性，计算得到了两个裂纹尖端完全对称的结果。     

NiTi形状记忆合金裂纹尖端热力耦合行为研究

本文对NiTi形状记忆合金I型裂纹尖端热力耦合行为进行了数值仿真分析和实验验证。建立了包含相变和热力耦合的本构模型,通过有限元计算得到了裂纹尖端附近的纵向应变、马氏体体积分数和温度场分布,依据马氏体相变情况对裂纹尖端有效应力强度因子进行了修正,揭示了加载速率对形状记忆合金裂纹尖端有效应力强度影子的影响规律。参数研究表明,随着加载频率的增加,裂纹尖端附近温度逐渐升高,马氏体相变区域逐渐缩小,有效应力强度因子呈下降趋势,形状记忆合金表现出增韧效应,有助于减缓裂纹扩展。本研究结果对于揭示热力耦合作用下超弹性形状记忆合金疲劳裂纹扩展规律具有重要参考意义。     

在混合硬化材料中I型裂纹定常扩展时的尖端场

本文采用和的混合线性硬化材料塑性本构关系,求得了平面应变与平面应力状态下Ⅰ型定常扩展裂纹尖端附近场的渐近解。Amazigo和Hutchinson的结果相当于本文解当混合硬化参数β=1且略去二次塑性区的情况。本文的数值计算结果表明,混合硬化参数β对尖端场的应力应变分布有着显著的影响。     

T10钢金属模具中裂纹电磁热止裂的实验研究

自主设计了改进型ZL-2超强脉冲电流发生装置，采用它对T10金属模具钢中裂纹进行脉冲放电止裂。放电时裂纹尖端熔化形成堆焊和高压应力区，使裂纹尖端钝化，达到了止裂的目的。由于脉冲放电超快速加热和冷却，在裂纹尖端处实现了冲击淬火，得到了超细化的隐晶马氏体和细粒碳化物等微观组织，同时围绕裂纹尖端形成了白亮层组织，提高了裂纹尖端处的硬度、强韧性和耐磨性，实验结果验证了理论研究和数值模拟的结果，为将电磁热裂纹止裂技术应用到金属模具裂纹止裂中，进行了基础实验工艺的研究工作。     

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。     

Assessing the effect of residual stresses on the fatigue behavior of integrally stiffened structures

Residual stresses emerge quite often in real structures due to the various manufacturing processes such as, welding, forming, cutting, milling, etc. In such cases, development of cracks at regions influenced by manufacturing operations demand additional attention. In the present work a numerical methodology has been developed, based on three-dimensional Finite Element Analysis, for the calculation of Stress Intensity Factors at cracks in welded components. The residual stress fields, which are used in SIF calculations, have been computed by the numerical simulation of the thermo-mechanical process. A numerical algorithm based on interpolation principles is developed, in order to introduce the three-dimensional field in the computational model of the cracked structure. The SIF calculation methodology is initially validated for the case of a welded plate by comparison of numerical results with existing analytical solutions. A cracked stiffened panel is analysed afterwards and the calculated fatigue crack propagation results are compared to experimentally measured data. Finally, the numerical procedure is applied to study the effect of more complicated residual stress fields on SIF values developing at cracks located in stiffened panels.     

Fatigue growth prediction of elliptical cracks in welded joint structure: Hybrid and energy density approach

A hybrid weight function approach (HWFM) is presented for the fatigue life prediction of infinite body and welded joint structure containing elliptical cracks. A self-containing computer code has been developed for this purpose. Numerical computations were first conducted on cracked infinite body showing a physical fact, that the elliptical shape of the crack becomes circular during its evolution. The prediction of the fatigue crack growth shows that the present results are in perfect concordance with those reported in the literature. Then, numerical tests were carried out on two types of specimens of welded joint structure. The present results were compared to the experimental and predicted ones of other authors, demonstrating that the hybridization method is a powerful numerical technique, and that the SEDF approach (using the Sih’s law) is more valid for the critical cases of welded joints than the SIF approach (using the Paris law). A parametric study has been conducted on the stress ratio “R” showing that the fatigue life to failure decreases with the increase of “R”.     

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。     

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。     

Limit load in bending of welded samples with a soft welded joint

The limit load is one of the basic characteristics in estimating the workability of various structures, in particular, welded structures with a soft welded joint. In some cases, the difference in the yield stresses of the base material and the welded joint material is so pronounced that plastic strains are localized in a thin welded joint. The upper bound of the limit load of a welded sample subjected to bending under conditions of plane strains is obtained with allowance for certain specific features of such a distribution of strains. A comparison with the known solution is performed. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 49, No. 2, pp. 216–222, March–April, 2008.