复合加载下疲劳裂纹扩展速率研究

本文提出了一种计算曲折裂纹尖端应力强度因子的简单方法。对一种油井钻杆材料在不同Ⅰ－Ⅱ复合比加载下的疲劳裂纹扩展行为的研究表明，Ⅱ型成分成对裂纹扩展速率有两种趋势相反的影响作用，并得到了一个计算复合型裂纹扩展速率的Ｐａｒｉｓ形式的公式。     

表面裂纹疲劳扩展的数值模拟

建立了一种无形状约束的模拟表面裂纹在线弹性断裂力学条件下疲劳扩展的数值方法,并研究了表面疲劳裂纹形状演化和裂纹尖端应力强度因子(SIF)的分布特征。该方法以三维有限单元技术和Paris疲劳裂纹扩展规律为基础,并在裂纹扩展增量计算中考虑了裂纹闭合影响。本文第一部分主要介绍模拟三维疲劳裂纹扩展的数值方法的理论背景和相关的技术细节。着重分析和讨论基于三维有限单元法计算裂纹SIF所涉及的几个主要问题:裂纹尖端单元网格密度对估算精度的影响;自由表面的影响及其修正方法;裂纹尖端非正交单元网格的影响及修正方法。     

表面裂纹疲劳扩展形状演化预测

应用新的应力强度因子经验公式预测了拉伸和纯弯曲载荷下疲劳扩展过程中表面裂纹形状的演化,并与Newman和Raju的经验公式以及实验结果进行了比较。结果表明:虽然对应力强度因子估算有一定差别,但两者对裂纹形状演化的预测有很好的一致性,预测结果与实验结果也比较吻合,从而表明所提出的经验公式能够用于预测疲劳扩展过程中表面裂纹形状演化。     

CT试样三维疲劳裂纹扩展数值模拟

在循环载荷下疲劳裂纹的裂纹形貌在稳定扩展区近似为半椭圆形状,因此通过Paris方法根据疲劳裂纹表面尖端点应力强度因子的变化幅值(△K)得到扩展速率与真实的裂纹速率会有误差.为了更好的研究疲劳裂纹的性质,本文通过分析紧凑拉伸(CT)试样的疲劳裂纹扩展后的三维形貌,采用Jiang-Sehitoglu循环塑性模型和疲劳准则以...     

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。     

旋转防喷器壳体疲劳裂纹扩展研究

受井内高压和岩屑颗粒反复碰撞,旋转防喷器壳体会出现裂纹,裂纹的进一步扩展会导致壳体发生破裂。本研究基于Paris公式研究旋转防喷器壳体的疲劳裂纹扩展寿命,通过疲劳裂纹扩展试验确定Paris公式的材料常数,通过有限元模拟对CT试样进行疲劳裂纹扩展研究,分析初始裂纹尺寸、载荷大小的影响。结果显示：实验结果与有限元仿真结果能较好吻合;随着初始裂纹尺寸的增加,裂纹前缘应力强度因子逐渐增大,初始裂纹开始扩展,深度亦会随应力幅和应力比的增大而增大,而裂纹扩展寿命随着裂纹长度和载荷增大而减小,随着应力比的增大而增大。该研究为旋转防喷器安全使用提供一定的理论依据和研究方法。     

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。     

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.     

聚乙烯Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展实验研究

本文采用中密度聚乙烯(MDPE)单边斜切口板状试样,完成了多种条件下的Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展试验。通过对裂尖和裂尖银纹区演化的全程显微测量,获取了各试样疲劳裂纹扩展过程的一致性特征,其过程分为初始银纹区萌生、银纹区转向、裂纹宏观扩展三个阶段。通过计算发现最大周向拉应力准则能精确预测第一阶段初始银纹区的萌生角度。试验表明第二阶段中银纹区发生转向,且第三阶段中裂纹始终沿垂直于外载荷方向的路径扩展,该现象通过银纹机理结合对裂尖奇异场的分析得到了解释,并从断面分析中得到印证。对比不同加载角下试样的裂纹扩展过程,发现裂纹萌生时间随加载角增大显著增长,但裂纹扩展特征一致。     

钢轨表面剥离掉块路径预测研究

轮轨滚动接触下,钢轨表面会产生典型的鱼钩形剥离掉块,其形成机理目前暂未明确.为了探究轮轨滚动接触下钢轨表面裂纹扩展机理,基于最大周向拉应力准则,建立轮轨滚动接触疲劳计算模型,提出裂尖扩展路径预测方法,并对不同初始角度裂纹的扩展路径进行预测.结果表明,钢轨表面微裂纹为Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,随着裂纹长度增加,KⅠ先增加后减小,...     

轮轨相互作用下钢轨焊接接头表面裂纹扩展分析

为了分析列车通过钢轨焊接接头时产生的轮轨动态冲击力对钢轨焊接接头表面裂纹扩展特性的影响,首先采用车辆-轨道耦合动力学数值模型计算轮轨垂向力,并建立带表面裂纹的轮轨接触有限元模型;然后将轮轨垂向力结果加载到有限元模型中分析其对裂纹扩展特性的影响。结果表明：在轮轨动态相互作用下,钢轨焊接接头处表面斜裂纹的扩展以剪切模式为主导,裂纹应力强度因子 KI 和应力强度因子范围ΔKII 随着列车速度的增大而增大;裂纹长度和裂纹面摩擦系数对应力强度因子范围ΔKII 影响较大,当裂纹长度从3mm 增加到10mm 时,其ΔKII 增大了204.2%,当裂纹面摩擦系数从0.1增加到0.6时,其ΔKII 减小了153.4%。     

对裂纹扩展规律Paris公式物理本质的探讨

首先讨论了著名力学家K.Krausz和A.S.Krausz关于Paris公式物理本质研究的成果，从材料的微观结构和裂纹尖端的应力场出发，应用位错动力学理论，热激活能理论和速率过程理论对疲劳裂纹扩展规律进行了微观到宏观的探讨。最终推导出疲劳裂纹扩展速率的一个解析表示式，该式严格地定了Paris公式的两个试验常数，赋予了Paris公式明确的物理意义，从而真实地揭示了Paris公式的物理本质，为这一经验的普遍规律奠定了理论基础。     

横观各向同性体三维裂纹的瞬态扩展

讨论一对集中力作用下横观各向同性体三维裂纹的瞬态扩展问题,其解答构成三维裂纹瞬态扩展问题的基本解。求解方法是基于积分变换技术,将混合边值问题化为Wiener-Hopf型积分方程,求得了裂纹所在平面应力和位移的封闭形式解。进一步利用Abel定理和Cagniard-de Hoop方法,求得了动态应力强度因子的精确解。最后通过数值结果揭示了横观各向同性材料三维扩展裂纹尖端场的动态特性。     

修正的拉应力裂纹扩展准则及裂隙\=水压对裂纹扩展的影响

对脆性材料的第一主应力--拉应力裂纹扩展准则进行了补充和修正,修正的裂纹扩展准则能确定裂纹扩展步长.以平面斜置裂纹扩展为例,利用无网格Galerkin方法,对不含裂隙水压的二维裂纹扩展进行数值模拟,计算结果与试验结果一致,表明最大周向拉应力准则的正确性.在不同裂隙水压条件下,研究了二维裂纹初始破裂,并在给定水压下对二维裂纹扩展路径进行了数值模拟跟踪.结果表明裂隙水压对裂纹初始破裂方向、破裂步长、破裂载荷和裂隙岩体破裂强度有显著影响.有水压和无水压的扩展迹线不同,但后续的扩展趋势相同.     

三维斜置半圆形表面裂纹扩展数值模拟

以裂纹前沿局部坐标中主法平面内的最大周向拉应力作为控制参数,对第一主应力拉应力裂纹扩展准则进行了补充和修正.修正后的拉应力裂纹扩展准则称为最大周向拉应力裂纹扩展准则.它不仅可以有效地确定裂纹扩展方位、扩展方向和扩展条件,而且可以有效地确定裂纹扩展步长.根据修正的裂纹扩展准则,给出了三维裂纹曲面的数学描述方式,可以有效地模拟扩展曲面的弯折和扭曲.     

用权函数法建立疲劳裂纹扩展的估算模型

本文应用权函数法定量地描述了疲劳裂纹在焊接残余应力场中的扩展特性,提出了利用已知的母材疲劳裂纹扩展速率来预测焊接件疲劳裂纹扩展速率的关系式。     

疲劳裂纹扩展的逻辑框架

人们已经发现应力强度因子变程△K与疲劳裂纹扩展率da/dN之间具有良好的对应关系,并由此建立了反映这些关系的各种理论。根据实验结果建立的疲劳裂纹扩展理论往往是假设性的(conjectory);但同时也可以用严谨的逻辑推理来导出疲劳裂纹扩展理论。演绎推导的理论和假设性的理论互为补充,促进了人们对疲劳裂纹扩展规律认识的不断深化。 本文对30年来疲劳裂纹扩展领域的工作进行了系统的总结,具体回顾考察了四种演绎推导理论:①无限大均匀宽板中的小裂纹扩展理论;②da/dN与△K相关的相似理论;③小范围屈服条件下均匀材料中的裂纹扩展理论;④链开式疲劳裂纹扩展理论,并将上述四种理论囊括在一个逻辑框架之中,用以分析疲劳裂纹扩展问题。本文也简述了如何应用这一逻辑框架来理解总结反映疲劳裂纹扩展行为的各种表达式,解释复杂的小裂纹扩展和复合材料中的裂纹扩展。     

扩展有限元法在结构件疲劳寿命估算中的应用

为了高效、准确估算飞机典型结构件的疲劳扩展寿命,基于通用有限元分析软件ABAQUS的扩展有限元功能计算应力强度因子,采用NASGRO方程计算疲劳裂纹扩展速率。为了避免大量重复提交运算的繁琐过程,应用PYTHON语言开发了在ABAQUS疲劳裂纹扩展分析中反复调用扩展有限元结果和NASGRO方程的子程序,在指定的疲劳裂纹扩展路径上实现了对飞机连接件疲劳裂纹扩展速率与寿命的计算。结果表明,模拟的疲劳裂纹稳定扩展阶段的寿命曲线与实验结果吻合较好,疲劳寿命误差约为10%。     

疲劳裂纹扩展过程中△K理论值的修正

通过聚碳酸酯紧凑拉伸试件的疲劳裂纹扩展速率试验和同时进行的光弹性实验,作者发现随着疲劳裂纹的扩展在裂纹尖端附近产生逐渐加强和扩大的残余应力场,揭示出了裂纹尖端附近的闭合效应的存在,它将使应力强度因子降低.因此,疲劳裂纹扩展过程中应力强度因子幅度△K 的理论值应该修正。本文提出了一种简便有效的修正方案.     

三维裂纹扩展轨迹的边界元数值模拟

提出了一种对三维裂纹扩展轨迹进行数值模拟的新方法。采用一种新的具有C^1连续性、高精度的单节点二次边界单元，使边界元(BEM)的分析效率和裂纹张开位移(COD)、应力强度因子(SIF)的精度大大提高。采用裂纹张开位移全场拟合法(GCDFP)求出裂纹面前缘的SIF，所得到的SIF达到与所用的COD资料同样的精度。使用Paris公式求出裂纹前缘各点的裂纹扩展增量，并用三次B样条函数对这些增量进行拟合，得到新的光滑裂纹前缘。根据以上思想方法，开发了具有较高的计算效率和精度的数值模拟软件。此软件可以自动跟踪裂纹扩展，得到裂纹扩展的轨迹。运用该软件对椭圆和矩形裂纹的扩展轨迹进行了数值模拟。其结果与理论上的预言完全一致，裂纹最后都趋于一个圆裂纹，具有实际指导意义。