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。     

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。     

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...     

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。     

界面裂纹的路径选择与数值模拟

利用界面断裂能和荷载混合度的概念研究界面裂纹的扩展路径，利用有限元数值方法模拟界面裂纹的扩展过程，再现界面断裂的各种几何构型．研究表明，界面的断裂能和混合度完全控制了裂纹在界面附近的扩展过程．数值预测的裂纹路径与理论结果一致     

三维疲劳多裂纹扩展数值模拟的计算方法及程序设计

研究了含多条初始裂纹的紧固孔件的裂纹扩展模拟及裂纹扩展寿命。紧固孔形式为直通孔和沉头(有锪窝)孔,裂纹形式为孔边角裂纹,将裂纹前缘形状简化为二次曲线形式。采用更新网格法追踪裂纹扩展,并人为干预裂纹前缘形状,解决了裂纹前缘端点跨越模型角点时的网格畸变问题;在裂纹扩展法则中使用了AFGROW裂纹闭合模型,并引入多裂纹协调扩展算法,避免了逐一应力循环计算,缩短了计算时间;试件失效判据使用净截面屈服和裂纹前缘塑性区连通准则,试件满足任一判据即判定为失效;最后在ANSYS软件的基础上进行二次开发,设计了适应多种模型的全寿命自动分析程序,并使用VB语言编写了用户界面,分别对单孔和一排五孔两种平板试件从锪窝孔边起裂的角裂纹扩展进行了数值模拟,并与试验结果进行了对比。结果表明:使用AFGROW裂纹闭合模型对寿命的预测精度明显高于Paris模型,其寿命预测误差在5%以内;对位于模型表面的裂纹尺寸的模拟与试验结果吻合较好,并很好地模拟了五孔模型在发生裂纹连通之后加速扩展的情况。     

估算裂纹应力强度因子的新方法

根据裂纹形状与裂纹尖端应力强度因子分布之间的固有关系,在线弹性断 裂力学条件下,提出了一种按已知I型裂纹应力强度因子分布规律求裂纹形状及相应应力强 度因子的无梯度迭代法. 通过有限厚度、有限宽度板穿透裂纹和表面裂纹的数值模拟实例验 证了所提出方法的有效性和实用性,并对不同应力强度因子分布规律对裂纹形状以及相应的 应力强度因子大小的影响进行了分析和讨论. 所提出的方法有助于提高实际扩展裂纹应 力强度因子的估算精度以及更合理地预测疲劳裂纹形状演化.     

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。     

广义扩展有限元法及其在裂纹扩展分析中的应用

结合广义有限元法(GFEM)和扩展有限元法(XFEM)的特点,提出了一种新的数值方法——广义扩展有限元法(GXFEM)。阐述了广义扩展有限元法的基本原理,对相关公式进行推导,探讨数值实施中需注意的重要问题,给出利用广义扩展有限元法进行断裂分析时应力强度因子的计算方法,编写了广义扩展有限元法程序。通过算例进行了应力强度因子的计算,模拟了结构裂纹的扩展过程。算例结果表明,利用广义扩展有限元法计算裂纹扩展问题,不需要进行过密的网格划分,且网格在裂纹扩展后无需重新剖分,具有相当高的计算精度。     

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。     

一种经验型疲劳小裂纹扩展模型

金属材料疲劳寿命由裂纹萌生和裂纹扩展寿命两部分组成,其中对于萌生寿命中的小裂纹分析是精确描述裂纹萌生寿命的关键．而小裂纹在扩展过程中由于尺寸相对较小,导致传统线弹性断裂力学预测方法失效,需要对其进行改进,考虑裂纹尖端塑性区引起的残余压应力对小裂纹扩展速度的影响．本文针对此问题进行了初步分析,通过对塑性区引起的残余应力的量化,结合小裂纹门槛值特性,提出了一种经验型修正的小裂纹扩展模型,用于定量预测裂纹的萌生寿命．使用铝合金6082-T6缺口试样进行了疲劳实验,并与理论结果进行了对比,验证了所提模型的有效性．     

循环J积分作为疲劳裂纹扩展驱动力的研究

对循环Ｊ积分ΔＪ可否作为应力强度因子幅ΔＫ不再适用的场合的裂纹扩展驱动力进行了研究。用Ｄ－Ｂ法估计了中心裂纹板（ＣＣＰ）和单边裂纹板（ＳＥＣＰ）试件受单调加载作用的Ｊ积分的塑性部分Ｊｐ，并与有限元结果进行了比较。本文还对Ｖ型和半圆切口根部萌生的短裂纹在循环载荷下进行了弹塑性大应变有限元分析。结果表明ΔＪ有一定的路径相关性，即由较靠近裂尖的积分路径得的ΔＪ值小于较远路径上获得的，两者又都小于Ｄ－Ｂ法估计得ΔＪ值，切口根部短裂纹扩展实验和表面裂纹远场大应变控制下低周疲劳实验表明，由Ｄ－Ｂ法估计的ΔＪ在一定条件下可以作为疲劳裂纹扩展驱动力，深度方向和表面长度方面的裂纹扩展率皆可由线性似合线来表示。考虑闭合效应后，ｄａ／ｄＮ－ΔＪｅｆｆ也是Ｐａｒｉｓ型关系，而且可在切口根部萌生出的裂纹很短的条件下使用     

35CrMo合金钢疲劳短裂纹扩展规律的试验研究

本文通过试验研究了35CrMo 合金钢三点弯曲试样疲劳短裂纹的扩展特性;用电测法得到了裂尖处的载荷—应变标定关系。试验结果表明,短裂纹的扩展速率正比于局部应力幅的幂次和裂纹长度,即 da/dN=A(?),可以较好地描述疲劳短裂纹的扩展规律。     

腰椎力学分析的数值模拟与实验研究

采用数值模拟和实验测试技术对两种不同内固定法的腰椎模型进行应力和变形分析,基于CT图像建立L4-S1的三维数值模型,经ANSYS计算分析得出五种工况下的终板应力值;在实验中采用了一种薄膜压力测试传感器结合图像处理的方法,提高测试椎间盘压力分布的精度;同时采用数字图像相关技术对腰椎骨上下关节突在承载情况下的空间位移进行了测量,获得了腰椎间盘（L3-L4）在承受轴压、前屈后伸和侧弯情况下的压力分布,以及对应的关节突的位移迹线。结果表明：本研究采用的数值分析技术和实验开发的测试技术可操作性强,精度满足要求,有望在类似的生物力学分析中得到应用。     

表面疲劳裂纹扩展性能曲线测试的小样本方法

提出了一种测试表面疲劳裂纹扩展性能曲线的小样本方法,该方法可以综合利用以往的经验数据和当前试验数据劳裂纹扩展性能曲线。与传统的只能利用当前试验数据确定表面疲劳裂纹扩展性能曲线相比,其可利用的信息量有了大幅度增加,所以,在精神相同的民政部下,可以节省大量试件;而且在试样数一定的情况下又可大大提高预测精度。文中还给出了一个试验对比实例。     

The Analysis of Dynamic Stress Intensity Factor for Semi-Circular Surface Crack Using Time-Domain BEM Formulation

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｔｒａｎｓｉｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒ 3＿Ｄｅｌａｓｔｏｄｙｎａｍｉｃｃｒａｃｋｐｒｏｂｌｅｍｓｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｎｔｅｎｔｉｎｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｃｓ.Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｏｆｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓ,ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆＤＳＩＦｆｏｒ 3＿Ｄｃｒａｃｋｉｓａｐｒｏｂｌｅｍｕｎｓｏｌｖｅｄｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｕｐｔｏｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔ.Ｃｈｅｎ[1]ｆｉｒｓｔｌｙｕｓｅｄｔｈｅｆｉｎｉｔｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ…