基于FE/EFG耦合方法的沥青路面裂纹扩展模拟

沥青路面裂纹在行车荷载下的裂纹扩展规律对于沥青路面的设计、维护具有重要的指导意义.通过预切口沥青混合料小梁疲劳试验,利用无网格伽辽金/有限元耦合方法,对沥青路面表面裂纹扩展进行了数值模拟,研究了面层厚度、面层模量、基层厚度、基层模量对裂纹扩展的影响规律.结果显示:随着预切口距离加载中心距离的增大,沥青混合料小梁的疲劳寿命增大,裂纹尖端的Ⅰ型应力强度因子减小,裂纹所表现出的Ⅱ型特性增 强;在沥青路面表面裂纹扩展过程中,应力强度因子经历一个急剧上升,达到一个极值后缓慢下降,然后又缓慢上升,最后急剧增加的过程;随面层、基层厚度的增加,表面裂纹尖端的应力强度因子降低;面层、基层模量对裂纹扩展路径的影响较大.     

7075铝合金扭转微动疲劳行为研究

在基于多轴疲劳试验机上自主设计的扭转微动疲劳装置上,对7075铝合金材料进行了扭转微动疲劳试验,讨论了相同法向载荷下不同扭转切应力对扭转微动疲劳寿命的影响,建立了7075铝合金扭转微动疲劳S-N曲线,并采用SEM,EDS,EPMA等分析方法对扭转微动疲劳的损伤区域进行了分析,建立了扭转微动疲劳混合区接触表面损伤和裂纹萌生及扩展的物理模型,揭示了7075铝合金扭转微动疲劳的损伤机理.试验结果表明:微动作用导致疲劳寿命大大降低;扭转微动疲劳S-N曲线呈"ε"型曲线特征;损伤区靠加载端位置氧化严重,氧化程度随着循环次数增加而增加;微动疲劳的裂纹萌生于次表面,接触区中心两侧主裂纹扩展交叉后垂直于接触表面扩展至试样断裂.     

正交异性钢桥面板肋-面板焊缝疲劳分析

基于焊缝的局部三维断裂力学模型和超重多轴货车的载荷谱,进行正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝表面裂纹的疲劳寿命分析。采用Schwartz-Neuman交替法计算肋-面板焊缝处半椭圆表面裂纹的应力强度因子,基于裂尖反向塑性区模型考虑循环载荷中压应力对疲劳裂纹扩展的作用。正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝的应力计算结果表明:超载货车作用下肋-面板焊缝处的横向应力峰值和应力幅都有明显增加;相比于标准疲劳荷载车,超载货车作用下肋-面板焊缝处半椭圆表面裂纹的裂纹扩展率增大了6.1倍;对应于正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝处的拉-压循环应力,平面应变状态下的裂尖反向塑性区使裂纹扩展率增加了3.7倍;基于所得裂纹扩展速率,本研究给出仅在严重超载的五轴和六轴货车作用下正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝疲劳寿命不足20年,远远低于桥梁的设计寿命。因此,考虑超载多轴货车的载荷谱和循环载荷中的压应力对肋-面板焊缝疲劳裂纹扩展的影响十分重要。     

沥青混合料疲劳过程的损伤力学分析

采用损伤力学方法研究沥青混合料的疲劳失效问题。针对悬壁梁弯曲疲劳试件,推导出疲劳过程中应力场、损伤场和疲劳裂纹形成寿命的工程封闭公式。根据沥青混合料特点,提出一种模拟疲劳裂纹扩展的特征单元失效模式,从而将疲劳裂纹形成与扩展两个阶段统一用损伤力学理论进行描述和分析。本文对沥青混合料试件的疲劳裂纹形成寿命与扩展寿命分段进行了预测,还对疲劳过程中刚度衰减及位移幅值的演化过程进行了数值模拟计算。理论预期与实验结果吻合良好。     

现场实测结构温度对半刚性沥青路面性能的影响

针对中国特色的半刚性基层沥青路面,在广韶高速公路瓮城段进行为期一个月高温期的现场温度观测。运用三维有限元方法,结合现场实测温度,分析了半刚性沥青路面结构的最大拉应力、最大剪应力和最大路表弯沉在荷载和荷载耦合作用下的变化情况。结果表明,随着路面深度增加,温度波动的幅度逐渐减小;路面内的最高温度相对大气和路表温度滞后约1小时;沥青路面内部温度高于表面温度;大气、路表和路面内部温度变化基本同步,温度波峰与波谷的出现频率相同;在温度和荷载综合作用下,路表以下2cm深度范围内易出现因拉应力不足造成的开裂破坏;路表以下10cm深度范围内,较易出现剪切破坏;高温温度场的存在虽不会明显增大路面结构各层的拉应力与剪应力,但会明显增大路表弯沉,故易产生车辙破坏。     

高延性混凝土加固弱粘结古旧砌体的轴压及疲劳性能研究

基于对古旧砌体的保护,利用高延性混凝土(HighDuctilityConcrete,简称HDC)强度高、与砖石具有良好的粘结性能以及良好的耐损伤能力等特点,对损伤严重、急需保护的弱粘结古旧砌体进行面层构造带加固,并进行轴压性能试验。试验结果表明:HDC面层对古旧砌体具有套箍作用,改变砖石砌体结构的脆性破坏,改善了砖石砌体的延性,提升了砖石砌体的承载能力和变形能力。砖石砌体的峰值荷载最大提高幅度达到46.9%,峰值荷载对应位移最大提升42.2%;开裂荷载最大提高幅度达到52.8%,开裂荷载对应的位移最大提升52.3%;最大位移提升68.3%,最大位移对应的荷载提高46.8%。在此基础上,提出HDC构造带加固弱粘结古旧砌体的承载力计算公式,计算结果与试验结果较为吻合。随后又研究了HDC棱柱体在不同应力水平、不同荷载频率下的单轴受压疲劳试验,研究结果表明:相对于普通混凝土和钢纤维混凝土,HDC受压疲劳强度在0.6～0.7,具有较高水平。不同频率下的受压疲劳试件,随着频率降低,疲劳寿命降低。     

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。     

激光冲击修复后压力容器钢Q345R耐腐蚀及抗疲劳性能研究

对激光冲击强化后的压力容器材料Q345R钢的耐腐蚀性能和抗疲劳性能进行研究。通过电化学实验,并结合扫描电子显微镜分析其耐腐蚀性。结果显示,有吸收层保护和无吸收层保护激光冲击后,相较于原试样,耐腐蚀性分别提升5.8倍和2.6倍;微观实验结果表明经过激光冲击后腐蚀试样表面裂纹明显少于未处理试样。但随着冲击次数增加,耐腐蚀性有所下降。疲劳试验结果显示,相同应力条件下,腐蚀1和2 h的疲劳寿命相较于原试样降低36.8%和56.4%,经过一次或三次激光冲击后试件的疲劳寿命分别提升43.8%和198.2%,经XRD检测,激光冲击能在表面形成一定深度的残余压应力层并抑制裂纹扩展。     

Cr4Mo4V轴承钢滚动接触疲劳和磨损性能研究

通过球棒滚动接触疲劳(RCF)试验机,研究了Cr4Mo4V轴承钢在4050润滑油润滑和0.18滑滚比条件下的滚动接触疲劳和磨损性能.结果表明:Cr4Mo4V钢的应力-寿命(S-N)曲线数据分散性较大,疲劳寿命随着应力增加呈下降趋势.Cr4Mo4V钢滚动接触磨损主要为磨料磨损,黏着磨损和疲劳磨损,随着应力和时间增加磨损体积增加,滚道凹槽深度达到17μm.通过光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)观察试样棒剖面与滚道交界处疲劳裂纹,发现疲劳破坏类型主要有两种:起源于表面的剥落(SOF)和起源于白蚀区的剥落(WSF).通过滚道径向切割抛光酸蚀显示Cr4Mo4V钢滚动接触疲劳影响区,随着应力和循环接触次数的增加,在次表层依次发现黑蚀区(DER)、白蚀区(WEA)和蝴蝶组织(BW).表面碳化物的剥落坑,黏着磨损和疲劳磨损的凹坑导致了表面起裂、白蚀区和蝴蝶组织中的碳化物和夹杂导致微裂纹的产生,链状碳化物使裂纹往深处扩展.     

回火温度对40Cr钢疲劳裂纹萌生寿命的影响

用系统分析的方法，通过三点弯曲疲劳试验，以数值描述的方式，在线跟踪了40Cr钢及其在三种回火温度下疲劳裂纹萌生过程的疲劳损伤，实验结果表明：随着回火处理温度的提高，40Cr钢的疲劳裂纹萌生寿命都有不同程度的提高．但裂纹萌生寿命在低于450℃的温度范围里，随着回火温度的提高，裂纹萌生寿命有明显的提高，在450℃至580℃范围内，随回火温度的上升，裂纹萌生寿命则没有明显的增加．     

基于非齐次复合Poisson过程的正交异性钢桥面板细节疲劳裂纹随机扩展研究

传统的正交异性钢桥面板疲劳损伤评估常采用确定性和可靠性分析方法,忽略了疲劳裂纹扩展的随机性影响,针对这一问题,提出钢桥面板细节疲劳随机扩展分析方法。本文以南溪长江大桥为工程背景,基于长期车辆荷载监测数据,建立了车辆荷载非齐次复合Poisson过程模型。建立钢桥面板有限元模型,采用瞬态分析方法将随机车辆荷载转化成细节疲劳应力,基于线弹性断裂力学理论推导U肋-顶板焊接细节疲劳裂纹扩展时变微分方程,实现宏观关系式疲劳应力幅次数-疲劳损伤至微观表达式应力时间序列-疲劳损伤转换,讨论了车载次序及超载对疲劳裂纹扩展的影响。研究结果表明,非齐次复合泊松过程模型能够较好描述随机车流运营状态,车辆荷载的次序对疲劳裂纹扩展速率的影响不可忽略,重车排序靠前时能够促使疲劳裂纹扩展增速,南溪长江大桥细节点的车辆超载迟滞效应修正系数取值0.804。     

风机叶片涂层雨蚀研究

研究了风电叶片在雨水冲击下的失效过程,利用有限元方法建立雨水冲击的数值模型,分析了雨滴的冲击角度、直径、涂层性能等对涂层受力的影响,并对双雨滴及四雨滴耦合模型进行了研究。结果表明:风雨耦合流场中叶片最大载荷在叶尖处,涂层的冲击受力与雨滴冲击角度和雨滴直径的大小呈正相关。低模量涂层能大幅降低涂层受冲击时的拉伸应力,小幅增加其压缩应力。同一平面内的双雨滴耦合时,拉伸应力受影响的范围较大,压缩应力受影响的范围较小。不同高度差下的双雨滴耦合中,随着高度差的增大,材料拉伸和压缩应力都呈现先增后减的趋势,其中压缩应力随高度差的变化幅度明显大于拉伸应力。四雨滴耦合时压缩应力对间距的变化更加敏感。涂层失效的过程主要为:涂层表面拉应力疲劳产生微裂纹;液压渗透引起裂纹扩展,涂层质量减少,表面粗糙度增加;表面小范围破坏后形成的凹面结构促进涂层的失效。     

基于应变能的复杂应力场低周疲劳分析

塑性应变能使材料微观组织结构发生不可逆变化,从而引起等效宏观应力,该应力随循环加载而增大．假定材料疲劳源处破坏是由最大拉应力引起的,最大等效宏观应力与外加应力叠加达到材料本征断裂应力时形成微裂纹．微裂纹引起上述两部分应力变化,继续加载直至宏观裂纹出现,从而得到材料的疲劳寿命．本文所建立的多轴疲劳寿命公式包含材料参数、拉应力以及塑性应变能等,以上数据可通过单轴疲劳数据和有限元方法获得．通过对SM45C材料的计算验证,表明该模型对多轴随机应变加载低周疲劳寿命,具有良好的预测结果．     

复合材料厚壁圆筒的疲劳损伤研究

基于能量耗散法,推导出了复合材料厚壁圆筒的疲劳损伤和疲劳寿命函数;在此基础上,采用有限元软件 ABAQUS 建立复合材料圆筒模型,进行了模拟周期内压载荷作用下的疲劳仿真计算,得到了随着循环数的增加,疲劳损伤变量不断增大和材料性能不断退化的损伤规律。以同样的方法和载荷边界条件计算了全金属圆筒疲劳损伤的起始和演化。对比结果表明：相同循环次数作用下,后者的裂纹扩展长度和张开位移更大;随着循环次数的增加,后者的疲劳破坏比前者更剧烈,更难预测。     

航空发动机涡轮盘裂纹萌生寿命的估算方法

针对航空发动机涡轮盘裂纹萌生寿命的估算问题，给出一个全新的损伤参量。该损伤参量结合了分析多轴疲劳的临界面方法，“应力功”的概念和疲劳破坏的微观机制。依据该损伤参量，利用有限元程序和自编程序计算得出损伤参量和疲劳循环次数的关系，建立以这一损伤参量为基础的疲劳损伤累积模型，进而估算涡轮盘裂纹萌生寿命。     

表面粗糙度对Glidcop和Q345低周疲劳寿命影响的试验研究

为考察表面粗糙度对弥散增强铜合金Glidcop和低合金钢Q345疲劳寿命的影响,对两种材料都加工了不同粗糙度等级的试样,在常温下进行了应力控制的低周疲劳试验,并对断后的试样进行了扫描电镜观察。结果表明,两种材料共有的现象是:粗糙表面削弱了低周疲劳性能,随着表面粗糙度的增大,低周疲劳寿命呈下降趋势;表面粗糙度对主裂纹的形成时间有影响。不同的现象是:低周疲劳寿命与表面粗糙度的关系Glidcop为线性,而Q345则为幂函数;Glidcop的断口有轻微颈缩,疲劳辉纹明显,Q345的主裂纹沿着试样的径向和周向同时扩展,大粗糙度下辉纹支离破碎。因此,表面粗糙度对疲劳寿命的影响既表现出共同的现象,又呈现为材料相关性。本文的结果将为这两种材料制成的承受低周疲劳构件的表面粗糙度选取提供参考。     

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,...     

残余应力对含裂纹缺陷管道疲劳寿命的影响

针对焊缝区含表面轴向裂纹管道的疲劳寿命问题,探究管道在内压波动下裂纹扩展的规律。建立了焊缝区裂纹仿真模型。采用ABAQUS有限元软件的多层生死单元技术计算了长输管道X80钢的残余应力场。将焊接残余应力场作为裂纹扩展分析的初始应力场导入裂纹仿真模型,结合该软件的扩展有限元法(XFEM)和二次开发计算了在焊接残余应力下裂纹扩展的规律。结果表明:由于焊接残余应力的影响,热影响区含裂纹缺陷的X80管道疲劳寿命明显降低,降低幅度约达40%;裂纹长度对管道的疲劳寿命影响不显著,裂纹深度对其有一定影响,而应力比影响最大,且应力比R=0.1最为显著。     

核电690合金传热管微动疲劳试验及损伤机理分析

核电蒸汽发生器传热管在微幅磨损与交变载荷的作用下形成微动疲劳,导致其表面裂纹萌生和扩展乃至破裂,从而影响反应堆的安全. 为研究径向载荷以及轴向交变应力对690合金管微动疲劳寿命的影响规律,开展690合金管管材的微动疲劳试验,获得690合金管管材的微动疲劳寿命曲线,并与相关研究数据进行对比分析,以便探讨材料在微动疲劳下的寿命模型. 对不同载荷下的690合金管试样的磨痕表面进行三维形貌和扫描电镜观测,分析磨损表面的损伤机理;对不同载荷下的690合金管试样断口的宏观与微观形貌进行表征,分析裂纹萌生、起裂过程及其失效机理. 结果表明690合金管与403不锈钢(SS)抗振条间的磨损机理为剥层及磨粒磨损;690合金管在径向载荷作用下于微动磨损处产生裂纹源,裂纹在轴向交变应力的作用下不断向内部扩展,最终导致断裂;其断裂形式为解理疲劳断裂.      

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...