基于连续介质损伤力学的钛合金耐压球壳极限强度分析

本文在连续介质损伤力学理论框架下,以深海载人装备耐压球壳结构为研究对象,开展Bonora损伤模型适用性研究。首先,设计TA31钛合金加载卸载试验,依据试验结果,分析Bonora模型参数对材料应力应变响应的影响规律;随后,提出一种模型参数校准方法,依据试验数据确定TA31钛合金的模型参数;最后,将Bonora模型通过VUMAT子程序的形式嵌入到有限元软件中,开展钛合金球壳结构的极限强度分析,并与传统方法进行对比。研究结果表明,在耐压球壳极限强度分析中,引入Bonora模型可以准确模拟耐压球壳结构的失效模式和破坏压力。该模型在材料本构关系中考虑了屈服强度、抗拉强度以及最大塑性应变的影响,结构失效的物理意义更加明确,对材料性能的优化与提升具有指导意义。

基于损伤力学的矿用定向钻机金属结构寿命评估

针对ZYL-15000D型煤矿用履带式全液压定向钻机底座寿命评估,首先通过Q345B钢的脉动循环加载拉伸疲劳试验数据,拟合得到应力幅值和寿命的关系式,经由应力修正和安全系数的选取,转换得到对称循环下的应力幅值和寿命的关系式。结合基于损伤力学推导出的损伤退化模型,根据Q345B钢试验数据拟合确定损伤退化模型中的待定参数,将Q345B钢对称循环下应力幅值和寿命的关系式代入,得到Q345B钢的疲劳损伤退化模型。然后借助ABAQUS对钻机整机进行结构分析,得到钻机底座的危险点位置(即应力最大处),在该型号样机试验台上通过应变片测得钻机底座危险点处的应力—时间历程。最后采用雨流计数和应力修正,对测得的随机载荷谱进行处理得到雨流计数直方图(应力均值-幅值-循环次数),再转换为对称循环载荷的形式,代入确定的疲劳损伤退化模型中,评估钻机底座的疲劳寿命。

基于损伤力学的轴承钢旋弯疲劳寿命预测

基于连续损伤力学理论,提出了考虑真空化学热处理工艺影响的疲劳损伤模型及数值计算方法,研究了M50NiL轴承钢的旋弯疲劳损伤分析及寿命预测方法。给出了本构模型、疲劳损伤演化方程和理论模型中的材料参数标定方法,基于ABAQUS平台,通过编写UMAT子程序,实现了基于硬化层影响的疲劳损伤分析的损伤力学-有限元数值计算方法;对淬火回火、渗碳及碳氮复渗2种真空化学热处理的M50NiL轴承钢,开展了旋弯疲劳试验,分析了热处理工艺对疲劳性能的影响;基于提出的疲劳损伤模型及数值计算方法,预测了M50NiL轴承钢的旋弯疲劳寿命,并与试验结果进行对比,验证了所提方法的适用性。

基于损伤力学的疲劳全寿命数值预估方法

疲劳失效是影响结构件使用安全的主要问题,对疲劳寿命进行准确预测具有重要的工程意义。基于采用平均应力修正的损伤力学演化模型,结合有限元法建立了同时考虑裂纹萌生与扩展的疲劳全寿命数值预估方法。为了验证该方法,开展了不同应力水平下铝合金开孔板试样疲劳试验与疲劳数值模拟。结果表明,基于所建立的疲劳数值分析方法能够有效预测开孔板裂纹扩展过程及疲劳全寿命,预测寿命误差带在两倍以内。

基于损伤力学的颈部椎间盘退化与寿命预测研究

目的在长期的循环载荷作用下,飞行员的椎间盘容易发生疲劳损伤,损伤的累积导致椎间盘退化,降低椎间盘的承载寿命,影响日常生活和飞行训练。然而目前缺少对长期振动载荷作用下椎间盘损伤退化及寿命预测的研究。本文基于连续介质损伤力学方法分析了飞行时长、振动频率、头盔重量及恢复训练对飞行员椎间盘疲劳损伤的影响。方法基于连续介质损伤力学的非线性损伤演化方程,在方程中考虑适用于人体组织自修复的恢复因子,使用椎间盘的体外疲劳实验数据和人体在正常步态过程中不同年龄段的椎间盘损伤数据对损伤演化模型进行参数标定和模型验证,得到了适用于人体椎间盘损伤演化和寿命预测的损伤演化方程。基于此方程,考虑飞行时长、振动频率、头盔重量和恢复锻炼等参数的作用,分析了各参数下飞行员颈部椎间盘的损伤演化历程,对椎间盘的寿命进行了预测。结果和结论考虑恢复因子的损伤演化方程能够用于人体椎间盘的损伤演化分析。结果显示,随着飞行时间的增加,椎间盘损伤退化的速度加快,椎间盘到达完全损伤的寿命缩短。频率及头盔重量的增加均会加快椎间盘的损伤速度。恢复因子的增加可促进椎间盘的损伤恢复,延长其发生退化的寿命。

基于损伤力学分析的汽轮机转子寿命损耗计算方法

在ANSYS有限元软件中使用耦合损伤的Chaboche黏塑性本构模型对1000 MW超超临界汽轮机转子在不同起动工况下的热机械力学响应进行了数值模拟。基于转子表面危险区域应力和损伤的分析结果,建立了汽轮机起动参数与转子最大损伤之间的函数关系,并以此提出了一种适用于复杂起动及升负荷工况下的转子寿命损耗计算方法。结果表明:在标准起动工况下模型计算结果与汽轮机寿命损耗分配表中的数据基本一致,验证了模型的有效性;采用所提方法后,对实际起动曲线进行简单处理,可快速计算出转子的寿命损耗率以及危险区域的热应力。

深部砂岩破裂——损伤力学机制及细观模拟研究

深部岩体损伤破裂是围岩大变形失稳破坏的热点问题之一,开展深部砂岩损伤破裂研究对采场围岩稳定性控制具有重要理论意义及工程价值。通过三轴压缩试验开展了不同围压下砂岩力学行为及裂纹演化规律研究;采用岩石破裂过程分析系统(RFPA3D)建立了基于真实细观结构的砂岩数值模型,模拟研究了单轴作用下砂岩真实细观破裂过程,分析了试样破裂过程中声发射演化规律及破裂力学行为特征。结果表明:随着围压的增加,砂岩试样应力—应变曲线具有脆性向延性转变的趋势,且残余应力随着围压的增加而增加,这与物理试验结果一致。在低围压状态下,裂纹易于扩展,导致试样容易破碎;高围压状态下,裂纹扩展受围压限制,因此裂纹不易扩展,导致试样内部发生碎胀现象。砂岩试样内部具有大量软弱结构,试样受力过程中裂纹沿着晶粒边界或软弱面萌生扩展是其破坏的主要方式。声发射数量随着围压的增加而增加,主要集中在裂纹产生处。研究结果对采场围压稳定性控制具有指导作用。

基于连续介质损伤力学的坑蚀高强钢丝疲劳寿命预测

为了研究坑蚀高强钢丝疲劳寿命,通过6根无锈蚀钢丝疲劳试验标定了CDM模型参数,利用ABAQUS的二次开发平台UMAT编写钢丝材料本构程序,并且进行了坑蚀钢丝疲劳试验验证模型。结果表明,对不同蚀坑尺寸以及应力幅下的坑蚀高强钢丝疲劳寿命预测值与实验值误差在±20%以内。

细观损伤力学新进展

概述了细观损伤力学的当前状态,对存在的一些问题作了简要评述,并提出了若干修正方案.从应用的角度出发,对细观损伤力学未来的发展趋势进行了粗线条的预测.

脆性岩石单轴循环加卸载试验及断裂损伤力学特性研究

以向家坝砂岩单轴循环加卸载室内力学试验结果为基础,结合岩石内部微裂纹的细观力学分析,对脆性岩石单轴循环加卸载的应力-应变曲线特征、峰值强度及断裂损伤力学特性等进行研究。给出一种根据应力-应变曲线计算损伤变量的方法,损伤变量计算结果和声发射测试数据变化规律较为一致。试验结果表明,砂岩的循环加卸载强度要比单轴压缩强度要小很多,对于脆性岩石单轴循环加卸载的峰值强度来说,受到多种因素的影响。弹性常数计算结果表明,循环加卸载过程中泊松比逐渐增大,而弹性模量在第一次循环加卸载增大之后则缓慢减小。脆性岩石循环加卸载过程中,岩石损伤在逐渐累积,在微裂纹进入不稳定扩展阶段,岩石损伤会迅速增大,岩石宏观力学特性取决于内部微裂纹的细观力学响应。

钢桥面沥青混合料铺装体系疲劳特性的损伤力学分析

用损伤力学原理及方法,从力学近似法角度分析了单纯的沥青混合料铺装层矩形截面梁疲劳损伤特性,推导出梁的应变场和疲劳寿命预测公式。按抗弯刚度等效简化原则,将疲劳试验复合梁模型中的实际桥面用钢板简化为沥青混合料铺装层叠加到下面的沥青混合料铺装层上,共同组成准单纯的沥青混合料铺装层矩形截面梁,应用该原理及方法推导出梁底缘的应变场,以南京长江第二大桥钢桥面环氧沥青混凝土铺装体系复合梁疲劳试验为例,进一步推导出复合梁的疲劳寿命预测公式。通过实例分析,表明损伤力学原理及方法可用于分析钢桥面沥青混合料铺装体系疲劳特性,其疲劳寿命预测结果是较为精确的,它的实际应用还需给出相应的修正,此外指出了环氧沥青混凝土铺装具有很好的抗疲劳性能。

统计细观损伤力学和损伤演化诱致突变

材料的损伤和破坏是固体力学中一个十分复杂的基本问题，近年来在这方面的研究从不同的角度取得一系列新的进展。本文较系统地介绍了统计细观损伤力学和损伤演化诱致突变理论，这是把力学与统计物理学及非线性科学结合起来研究材料损伤和破坏问题的一种探索。

综放开采顶煤冒放性的损伤力学分析

运用损伤力学的基本原理,阐述了综放开采顶煤在支承压力作用下损伤演化与冒放性之间的关系。利用细观统计损伤力学建立了损伤参量的计算模型,把顶煤损伤参量作为冒放性指标加以研究,并讨论了开采深度、煤层强度、原始裂隙和水平应力对顶煤冒放性的影响,其理论结果和现场实际相吻合。

基于损伤力学阐释Manson-Coffin低周疲劳模型

为验证Manson-Coffin低周疲劳模型经验公式,采用损伤力学基础理论,并结合Ramberg-Osgood幂率强化准则,以塑性应变幅值为损伤演化的控制量,推导建立了低周疲劳损伤力学模型。比较两者后可得:在比例载荷的条件下,Manson-Coffin低周疲劳模型与疲劳损伤力学模型是等价的,且Manson-Coffin公式是疲劳损伤力学模型的一种特殊的退化形式。

岩石变形劣化全过程细观试验与细观损伤力学模型研究

采用细观试验探究岩石变形劣化全过程是了解岩石变形破坏机制的重要手段。选取四川锦屏二级水电站深埋(2 525 m)隧洞围岩(大理岩),利用岩石变形破坏全过程细观力学试验系统,进行大理岩试样单轴压缩变形破坏全程的数字化试验,在SEM图像数字化处理基础上,对微裂隙的萌生、扩展及贯通过程进行数字化定量分析,统计试样在受压过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据。利用内变量热力学理论和摩擦弯折裂纹模型,分析微裂纹不同阶段的演化规律,建立微裂纹引起的非弹性应变与应力之间的定量关系,得到大理岩应力–应变关系计算曲线,并与试验结果对比,验证了本文理论模型的可靠性,从试验和理论两方面探究岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制。

谐振载荷作用下工程结构振动疲劳寿命预估的损伤力学-有限元法

建立了预估谐振载荷作用下结构振动疲劳寿命的损伤力学-有限元方法。首先根据损伤热力学原理,构建了损伤演化方程,建立光滑试件在恒幅应变交变载荷作用下寿命预估方法;进一步由损伤力学守恒积分原理,得到恒幅重复载荷作用下应力与寿命的关系式;然后根据标准件疲劳试验结果,拟合得到损伤演化方程中的材质参数;最后利用APDL语言编程对ANSYS软件进行了二次开发,借助ANSYS软件对谐振载荷作用下结构振动疲劳裂纹萌生寿命进行预估。作为算例,本文利用该方法预估了LC9CgS1铝合金梁谐振载荷作用下疲劳裂纹萌生寿命。

岩石破裂全程数字化细观损伤力学试验研究

设计基于扫描电镜(SEM)的岩石破裂全过程数字化细观损伤力学试验方案,实现了岩石破裂全过程的显微与宏观实时的数字化监测、控制、记录及分析的岩石力学试验。应用于四川锦屏大理岩预制裂纹试样中进行单轴压缩破坏全程的数字化试验,对微裂纹的萌生、生长及贯通过程进行数字化定量分析,得到试样在受荷过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据,从宏细观角度描述了岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制,并分析得出试样单轴受压破坏过程中虽然微裂纹在某些区域集中,但在整个试样中微裂纹的统计分布依然是服从某一指数分布的这一结论。试验研究结果证明了该试验方案的科学性和先进性。

岩石损伤力学理论模型初探

分析了岩石全应力-应变曲线的特征、岩石在受载过程中同时引起弹性模量的降低和产生塑性应变的现象,提出了弹性模量、塑性应变与损伤成正比的基本假设和准静态损伤过程的概念,分析了损伤变量与损伤应变能释放率二者之间的依存关系,并定义了这两个概念。依据能量守恒定律,提出了岩石准静态损伤过程的数学模型,建立了无因次损伤演化和本构方程,并对其特点进行了分析,所建立的数学模型仅需3个材料常数,而且,可较为方便地确定。岩石全应力-应变曲线的峰前和峰后只用一个损伤演化方程,且与试验曲线能较好地吻合。

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。

轴对称构件疲劳寿命预测的损伤力学—附加载荷—有限元法

提出了一种实用有效的弹塑性损伤应力 -应变本构方程与损伤演化方程。针对中高周疲劳问题 ,发展了轴对称疲劳寿命预测的损伤力学 -附加载荷 -有限元法计算格式。通过引入塑性附加载荷 ,考虑了构件应力集中区域塑性变形对构件疲劳寿命的影响。预估了 3 0 Cr Mn Si Ni2 A材料含沟槽轴对称试件的疲劳裂纹形成寿命 ,并分析了疲劳裂纹的扩展情况。