垂直于界面V型缺口尖端的应力奇异性及其应用

基于双材料垂直于界面V型缺口理论,给出了单一材料和双材料裂纹问题、V型缺口问题应力强度因子的统一定义,得到了应力外推法计算双材料K_I的公式,数值算例验证了本文方法的有效性.以双材料单向拉伸和三点弯曲模型为对象,深入研究了双材料中弹性模量、泊松比、缺口深度、缺口张角对缺口尖端奇异应力场的影响,获得了一定范围内各种参数变化对缺口尖端奇异应力场的影响规律,为异体材料形成的V型缺口在应力断料中的应用提供了必要的参考依据.     

轴向拉伸载荷作用下缺口圆棒的应力三轴度

应力三轴度是表达应力状态的参量,可作为变量表征材料的塑性和断裂损伤模型,在结构强度和失效分析中发挥重要作用.具有缺口的圆棒拉伸试验可用于标定塑性和损伤模型中的参数.然而,文献中却存在两个不同的公式计算拉伸载荷作用时缺口圆棒最小截面轴心处的三轴度,二者分别由国际著名学者Bridgman和Wierzbicki先后提出,其不同性往往造成应用时的困惑.本文通过精细化的有限元计算分析,意在澄清两个公式的有效性和适用性.结果表明,Bridgman公式仅弹性阶段和特定a/R范围内较为准确,Bao-Wierzbicki公式与数值模拟结果及实验数据吻合较好,可用于计算整个拉伸过程中三轴度的算术平均值.基于进一步的分析,本文提出了理想弹塑性条件下塑性阶段的应力三轴度新的修正公式,还讨论了缺口几何和应变强化效应：指出不同的缺口比例会影响到颈部应力场,缺口比例越小,弹性阶段的应力三轴度越接近1/3;而应变强化则会导致拉伸过程中应力三轴度的降低.     

Q235钢缺口试样拉压低循环疲劳的实验研究

以Q235钢制U型缺口板试样为研究对象,用有限元方法计算其缺口根部等效应变幅对应的试样标距段位移,以此控制试验机进行拉压循环疲劳试验。然后用局部应力应变法对试验测得的寿命结果进行分析。结果表明：无论用有限元还是修正Neuber公式计算缺口根部的应力应变,局部应力应变法的疲劳寿命评估只适用于缺口半径较大的试样;对缺口半径较小试样的估计寿命明显低于实测值,且有限元法比修正Neuber法更保守。进而又对试样缺口区域应变梯度的影响进行了探讨：参照有限元计算的应变梯度,利用Taylor模型估算了缺口根部的屈服应力和流动应力;在此基础上重新计算应变分布并估计试样的疲劳寿命,结果证实考虑应变梯度影响可改善缺口试样的疲劳寿命估计。     

考虑应力集中的镍基单晶合金低周疲劳公式

对不同取向、带应力集中状态下镍基单晶合金构件的低周疲劳寿命进行了研究.在理论应力集中系数和载荷比确定的前提下,只要确定了缺口根部的剪应力范围,在不考虑分散性的情况下,缺口试棒的寿命是确定的.而此时,光滑试棒也一定存在某一个应力水平,在该应力水平下光滑试棒与缺口试棒的寿命相等;这时等寿命的光滑试棒与缺口试棒的最大剪应力范围之间存在一定的关系.根据这种关系,本文建立了剪应力范围的修正系数法,其与试验所得到的不同取向缺口试棒的低周疲劳寿命之间的最大偏差倍数为3.45,而直接采用光滑试棒剪应力范围寿命公式与实验寿命之间的最大偏差倍数为1681倍.结果表明,采用剪应力范围修正系数法预测不同取向的缺口试棒低周疲劳寿命具有较高的精度.     

基于奇异强度因子的V型切口应力场和N-SIF评估方法

根据线弹性断裂力学理论，V形切口处的应力场具有奇异性，应力值趋于无穷大，峰值应力不能直接用于评定疲劳强度。通过引入了奇异强度因子“as”，单边缺口应力分布和缺口应力强度因子(N-SIF)的半解析公式被推导。考虑张开角和几何尺寸等因素，基于奇异强度因子拟合得到了切口应力评估的简易公式，可用于切口应力场和N-SIF值的快速评估。将简易公式评估结果与有限元结果以及传统文献结果进行对比分析，结果表明，本文简易公式可以准确地预报拉伸载荷下单边V型切口角平分线上的应力场和N-SIF值，实现了切口试样应力场的快速评估。     

结构钢缺口试样非对称循环疲劳极限的估算

本文提出结构钢缺口试样非对称循环下疲劳估算公式．该公式与Ｇｏｏｄｍａｎ方程相比，具有简便、精确的特点     

基于小裂纹理论的疲劳设计方法研究

根据ETS理论,引入小裂纹的特征尺寸0a,对从缺口根部萌生的小裂纹扩展机理进行研究,并将小裂纹理论与疲劳设计理念相结合,进一步提高了构件的安全性.结果表明:基于小裂纹理论分析缺口构件的疲劳性能时,可通过缺口几何尺寸、外荷载、材料疲劳极限、裂纹扩展门槛值等参数来确定缺口敏感系数q的值,这种方法与目前常用的利用经验公式计算q的方法相比具有明显优势;设计中恰当地考虑小裂纹行为,能够计算出构件对无法检测的小裂纹的容许应力,这对结构的安全性分析是十分有利的;将环境影响下的裂纹问题等效为疲劳小裂纹问题,有利于从力学角度对其进行分析.     

16MnR钢缺口试样解理断裂行为研究

研究了低合金热轧钢16MnR缺口试样在$-196\,{^\circ}$C和$-130\,{^\circ}$C的解理断裂机 理. 拉伸试验、单、双缺口四点弯曲实验、断口形貌观察以及有限元分析结果表明, 缺口试 样发生解理断裂时均起裂于夹杂物粒子, 一种位于缺口根部前端(IC型), 另一种位于距缺口 根部较远的条形裂纹前端(SIC型); 且随温度升高, 起裂源的类型从$-196\,{^\circ}$C下的IC 型转变为$-130\,{^\circ}$C下的SIC型. 微裂纹均形核于夹杂物, 最终的断裂由铁素体晶粒尺 寸的微裂纹扩展控制. 缺口试样IC型解理断裂遵循裂纹形核条 件$\varepsilon_{\rm p} \ge \varepsilon_{\rm pc}$和裂纹扩展条件$\sigma_{yy} \ge \sigma_{f}$, 而SIC型解理断裂条件则演化为$\varepsilon_{\rm p}+\varepsilon_{\rm ps} \ge \varepsilon_{\rm pc}$和$\sigma_{yy} +\sigma_{yy{\rm s}} \ge \sigma_{f}$.     

含缺口构件高周疲劳寿命的损伤力学封闭解法

本文根据损伤力学建立含缺口板守恒积分、应力与应变集中系数公式以及疲劳裂纹形成寿命的封闭解法。对铝合金含缺口板寿命预估结果与实验结果基本一致。本方法节省机时并可代替大量实验,具有一定的工程实用性。     

J积分方法预测缺口疲劳裂纹形成的研究

对承受循环载荷的缺口试样,其缺口顶端形变功密度依赖于循环J积分和缺口半径ρ之比,即:△J=α_cρ△W_0依据缺口疲劳裂纹形成过程及光滑试样应变疲劳的形变功密度与疲劳寿命的关系N_f(△W)~r=C,导出并由实验证实了缺口疲劳裂纹形成寿命的预测公式:N_i(△J/α_cρ)~β=C_n。根据这一关系式,可以较准确地预测大范围屈服及全面屈服条件下缺口疲劳裂纹形成寿命。     

缺口疲劳裂纹形成的J积分分析

进行了循环载荷的缺口顶端局部应变和形变功密度的循环J 积分分析和实验标定,证实:缺口顶端形变功密度依赖于循环J 积分和缺口半径ρ之比,即:△J/ρ=α_c△W_0通过对缺口疲劳裂纹形成过程的分析,并依据上述关系和光滑试样应变疲劳关系N_(?)(△W)~(?)=c,提出了予测缺口疲劳裂纹形成寿命的公式:N_i(△J/α_cρ)~β=c_n进行了各种缺口试样,在各种载荷条件的疲劳裂纹形成实验,结果证明,对不同应力比R 的载荷,在各种形变程度:从线弹性至全面屈服,疲劳裂纹形成寿命N_i 和△J/α_cρ均满足此关系式.分析比较了△J/α_cρ和缺口疲劳领域的另两个常用参量△K/ρ~(1/2)和1/2△ε之间的关系,△J/α_cρ较后两者有更广泛的适用性.     

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.     

Ⅱ型缺口试样应力场和应力场强度因子

1.前言对于理想的无限大Ⅱ型试样,应力场和应力场强度因子都有解析解。Hiroshi Tada等人给出了计算有限长度Ⅱ型试样K_Ⅱ的公式: F(a/b)=[1.30-0.65a/6+0.37(a/b)~2+0.28(a/b)~3]/(1-a/b)~1/2 (1) 其中,a和b分别表示裂纹和试样的长度,B是试样的厚度,P是外载荷。保持试样的长度和外载荷不变,按公式(1)计算,K_Ⅱ随裂纹长度a的变化,如图2中的曲线Ⅱ所示。结果表明,K_Ⅱ并不随a的增大而单调地增大,这和理想的无限大Ⅱ型试样的结果K_Ⅱ=τ(πa)~1/2相矛盾。另外,对Ⅱ型缺口试样的实验也表明,导致材料断     

魔术的力学分析之二——四连环与莫尔定理

对"四连环"可表演的各种图案,莫尔定理简述,有缺口钢环张开量的计算公式的推导,并从公式导出的结果讨论了钢环张开量与一些参数的关系,并进行了实验测试,这样,可以让人们认识这个魔术教具也是力学的应用.     

求解Ⅰ型裂纹构元J积分的半解析方法

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量.目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务.以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是Ⅰ型裂纹试样的断裂韧性测试.本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种Ⅰ型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数.分析表明,6种Ⅰ型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好.新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值.应用新方法可便于获得各类Ⅰ型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.     

求解I型裂纹构元J积分的半解析方法

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量. 目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务. 以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是I型裂纹试样的断裂韧性测试. 本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种I型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数. 分析表明,6种I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好. 新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值. 应用新方法可便于获得各类I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.      

一种计算疲劳寿命的新方法——Neuber局部应力-应变分析法

引言传统的疲劳寿命计算方法是根据构件的名义应力历史和构件的S-N曲线计算寿命。这种方法需要做构件的S-N曲线,且不能考虑构件应力集中部位的真实应力-应变状况。1961年,Neuber提出一个在局部屈服之下计算缺口应力-应变响应的半经验公式,后来这个公式用到疲 ...     

铝合金 2A12韧性断裂机制的实验研究

用轴对称圆棒静拉伸实验研究了铝合金2A12韧性断裂的特点,并探讨了临界空穴扩张比参数-VGC在实验材料上的适用性。实验测试了实验材料的拉伸特性参数及VGC参数。实验证实实验材料在不同应力状态下会发生断裂形式的转变,光滑试样表现为剪切破坏,而缺口试样为拉伸破坏,VGC参数对材料的断裂形式较为敏感。用SEM观测了试样断口显示缺口试样为空穴聚合型断裂机制。VGC参数只适用于以拉伸型断裂为主的缺口试样,对以剪切断裂为主的光滑拉伸试样不适用。     

航空导管弯曲试验的疲劳裂纹萌生寿命

飞行器液压导管受接头和卡箍等约束,在使用的振动环境中,会因弯曲应力而导致破裂,影响到飞行安全．本文对飞行器液压系统通用的不锈钢导管的裂纹萌生寿命进行了试验研究．首先在对8 mm、12 mm 无缺陷导管和含U 型缺口8 mm 导管的疲劳试验和有限元分析的基础上,得到了导管的最大拉应变-裂纹萌生寿命数据．然后采用基于强度极限和弹性模量估算法的Manson-Coffin 公式来预测导管裂纹萌生寿命．最后引入加载类型修正系数、表面质量修正系数、试样尺寸修正系数、应力集中敏感系数和有效应力集中系数,使修正后的公式对三种类型的导管均有较好的裂纹萌生寿命预测精度．     

疲劳缺口系数K_f确定方法的研究

本文从实验和理论上对疲劳缺口系数进行了研究和探讨.着重考查了由名义应力转换为局部应力或应变时的转换因子对 Smi-th 损伤参量的影响.理论计算和实验结果均表明:当名义应力较大时,疲劳缺口系数与载荷关系不大,可以用其平均值作为疲劳缺口系数.