海洋平台K型管节点的疲劳裂纹扩展分析Ⅰ:试验测试

对承受疲劳载荷的海洋平台K型管节点首先进行了静力测试,确定了沿着焊缝的热应力区的应力分布及热应力区最大应力点的位置,从而判断裂纹产生的位置;然后通过专用测试设备提供循环疲劳载荷,用ACPD(Alternating Current Potential Drop,即交流电流势能落差法)技术检测裂纹的产生和增长过程,得到裂纹最深点,用S-N曲线估算其疲劳寿命。对已有裂纹的K型管节点,用应力强度因子估计其剩余寿命。同时用测试的结果验证了S-N的准确性和可靠性。

矩形钢管K型节点复合型应力强度因子计算方法研究

相比圆形钢管桁架,矩形钢管桁架在施工方面具有一定的技术经济优势,并已广泛应用于桥梁工程中,鉴于断裂力学法评估该类结构疲劳性能的需要,该文探讨矩形钢管K型节点在支管拉压平衡荷载作用下的应力强度因子计算方法。提出带表面裂纹矩形钢管K型节点有限元建模方法,并与试验进行验证;通过参数分析,研究节点和裂纹几何参数对节点几何修正系数Y的影响;多元回归分析拟合得到矩形钢管K型节点应力强度因子计算公式及其修正后的设计计算公式,并通过算例分析给出基于断裂力学的钢管节点剩余疲劳寿命评估方法。结果表明:有限元结果与试验结果比值均值为1.012,变异系数为0.034,两者最大差值仅为5.5%,表明有限元计算结果可靠;节点几何参数2γ、τ与Y呈正相关,θ与Y呈负相关,其原因主要在于节点相贯线处刚度和受拉荷载变化,改变了裂纹尖端应力场,从而影响了裂纹扩展速率,裂纹几何参数c/a与Y呈正相关,但影响不明显,a/t0与Y呈负相关;提出的应力强度因子计算公式与有限元计算结果吻合良好,且修正后用于设计的计算公式具有95%的可靠度;圆形钢管节点应力强度因子高于矩形钢管节点,平均提高24.9%,说明在相同荷载工况下,圆形钢管节点裂纹扩展速率更快,算例分析也进一步验证该结论,圆形钢管节点剩余疲劳寿命为2.1×105次,低于矩形钢管节点的剩余疲劳寿命2.3×105次。

加载速率对高强钢40Cr和30CrMnSiNi2AⅠ型动态断裂韧性的影响

采用实验-数值方法对40Cr和30CrMnSiNi2A两种高强钢三点弯曲试样在不同加载速率的冲击载荷作用下进行了动态断裂韧性的测试,并对其率相关性进行研究．实验在Hopkinson压杆系统上完成,试样的起裂时间采用应变片法测得．结合有限元三维动态模拟,得到了不同加载速率下试样动态应力强度因子的时间历程并由实测的起裂时间确定材料动态断裂韧性．结果表明,在本工作加载速率范围内(10~6MPa·m^(1/2)/s),40Cr钢为解理型断裂,其动态断裂韧性随加载速率增加的变化趋势不明显；而30CrMnSiNi2A钢则在较大程度上表现为延性断裂的特征,其动态断裂韧性随加载速率的增加呈明显上升趋势．并对上述结果进行了宏观和微观机理分析．

类岩石脆性材料非闭合裂纹的Ⅰ–Ⅱ压剪复合型断裂准则研究

实际工程中,结构体裂纹常处于拉剪和压剪复合受力状态,研究适合于复合型裂纹的断裂准则和裂纹扩展机理具有重要的理论意义和实用价值。以Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹为研究对象,基于线弹性理论,在考虑裂纹几何特征及受力形式的基础上,系统介绍了裂纹应力强度因子(SIF)的理论解。提出了适用于Ⅱ型断裂的径向剪应力准则和双剪应力准则。对于Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,提出用等效Ⅰ、Ⅱ型SIF比值与Ⅰ、Ⅱ型断裂韧度比值的关系判定裂纹断裂类型,并分别选择适合于Ⅰ、Ⅱ型断裂的断裂准则,计算了裂纹断裂扩展理论角度。理论断裂角与预制非闭合裂纹类岩石脆性材料压剪断裂试验结果符合得较好。

数字散斑相关方法测定岩石Ⅰ型应力强度因子

提出一种通过数字散斑相关方法测定岩石I型裂纹尖端位置和应力强度因子的试验方法。采用数字散斑相关方法观测三点弯曲加载条件下,含Ⅰ型预制裂纹的花岗岩半圆盘试件裂尖区域的位移场,采用牛顿-辛普森方法求解含未知参量的非线性位移场方程组,计算裂尖位置和应力强度因子。研究结果表明,采用该方法可以准确测定岩石I型应力强度因子、裂尖位置及裂纹扩展长度,揭示岩石断裂及裂纹扩展的演化特征。该方法解决以往研究中因不能准确测定裂纹尖端位置,而无法计算岩石断裂参数的难题。

数字图像相关法测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹应力强度因子

提出了一种通过数字图像相关方法测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖端位置和应力强度因子的试验方法。试验通过数字图像相关方法测定裂纹尖端区域位移场数据,将位移场数据带入极坐标系下位移场方程,计算裂纹尖端位置和应力强度因子。试验结果表明:采用该方法可以准确的测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹应力强度因子、裂纹尖端位置及裂纹扩展长度,解决了以往研究方法因不能准确测定裂纹尖端位置和扩展方向,而无法准确测定岩石应力强度因子的难题。

水工有压隧洞衬砌双K断裂理论分析及裂缝宽度计算

2005年制定的我国电力行业标准《水工混凝土断裂韧度试验规程》以双K断裂理论为理论依据,该理论所发展的闭合解析解形式简单且物理意义明确,试验技术方法简易可行,能够很好地描述裂缝的起裂、稳定扩展和失稳扩展。本文以该理论为出发点,对进行的大比尺水工有压隧洞模型试验中存在的三种衬砌结构断面即素混凝土断面、单筋断面和双筋断面进行了断裂力学分析,推导计算了它们在不同内水压下的应力强度因子,确定了三种不同衬砌结构的双K断裂参数,为研究水工有压隧洞衬砌结构的裂缝扩展过程和破坏机理提供了一种有效的方法。此外,给出了基于断裂力学的裂缝宽度计算式,计算了单双筋衬砌结构在不同内水压力下的裂缝宽度,并根据SLT191—96规范和DL/T5195—2004规范计算了裂缝宽度,发现断裂力学计算值、SLT191—96规范计算值与试验结果三者吻合很好,DL/T5195—2004规范计算值小于试验结果。

海洋平台K型管节点的疲劳裂纹扩展分析 II:数值分析

对于已含初始裂纹平台管节点的寿命预测很大程度上依靠应力强度因子的精确值,而复杂载荷条件下的节点应力强度因子的计算尚无参数方程直接确定。本文提出了一种含表面裂纹的K节点的有限元网格产生方法,即把整个K节点划分为几个子区域,每个子区域的网格具有不同类型的单元和不同的密度。这种方法在控制网格密度,尤其是控制沿着裂纹边缘单元的边长比方面有其独特的优越性,当所有子区域的网格自动产生后,容易得到整个结构的有限元模型。同时用J积分和位移外推插值法分别计算了一个K型节点沿着裂纹前缘的应力强度因子值,发现:试验得到的应力强度因子值和提出的模型计算结果非常吻合,证明了所提有限元模型的准确性。

Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝应力强度因子和应变能释放率的关系

为了探究复合型裂缝的应力强度因子K和应变能释放率G的关系,基于最大应力准则,采用能量法对Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝的扩展进行理论分析。根据单一型裂缝应力强度因子和应变能释放率的关系,推导出Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝K与G的关系公式,利用Abaqus软件建立Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝的有限元模型,计算Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝的应力强度因子和应变能释放率,与推导公式的计算结果进行对比,二者误差仅为2.5%,验证了推导公式的合理性。

应力比对K55套管钻井钢疲劳裂纹扩展性能的影响

利用电液伺服疲劳实验机及SEM研究了应力比对K55套管钻井钢疲劳裂纹扩展行为的影响。结果表明:应力比对裂纹失稳区起始点对应的应力强度因子范围ΔK值具有显著的影响。随着应力比的增加,裂纹扩展失稳区起始点对应的裂纹扩展速率具有显著的降低,疲劳裂纹扩展门槛值也呈现显著的降低趋势。当疲劳裂纹逐渐由Paris区过渡到失稳扩展区,平均载荷逐渐取代应力强度因子幅度ΔK作为裂纹扩展的主导驱动力。当裂纹扩展至拉伸过载区,断口表面则呈现明显的冲击断裂特征。

用数值方法求三点弯圆轴的应力强度因子K_1

采用线弹性断裂力学中 William s无穷级数型应力函数 ,因该应力函数满足双调和方程及裂纹尖端的应力边界条件 ,故可运用边界配位的数值方法 :在有限尺寸试样边界上 ,选取足够多的点 ,用这些点的边界条件来确定该无穷级数所截取的有限项的系数 Cj,进而求出含单边穿透裂纹的三点弯圆轴的应力强度因子

Ⅰ型裂纹尖端圆弧对应力强度因子影响的数值研究

应力强度因子表征了裂纹尖端奇异应力场的强度,它是研究裂纹扩展规律和带裂纹构件强度的基础。采用有限元法,对受均布荷载作用存在边缘Ⅰ型裂纹的平面板进行了数值分析。研究了裂纹尖端圆弧对应力强度因子的影响,分别计算了具有不同裂尖圆弧r_0的Ⅰ型裂纹的应力强度因子。采用应力法计算不同半径处的表观应力强度因子,插值到裂尖圆弧而得。根据计算结果,绘制K_Ⅰ-r_0曲线,利用最小二乘法拟合至尖裂纹(r_0=0)即得理想尖裂纹的应力强度因子,与解析解相差仅0.7%。该曲线为带圆弧裂纹的应力强度因子测试和带圆弧裂纹构件强度计算提供了依据。

钛合金Ⅰ型裂纹应力强度因子测试的实验研究

采用疲劳裂纹预制机对含Ⅰ型缺口的TC4合金试件预制裂纹,通过数字图像相关方法观测试件在三点弯曲加载条件下裂纹的扩展过程及裂尖区域的位移场,将位移场数据带入裂尖位移场方程,计算裂尖位置和应力强度因子。结果表明,采用该方法可以准确测定钛合金的Ⅰ型裂纹应力强度因子、裂尖位置及裂纹扩展长度。该方法解决了以往研究中因不能准确测定裂纹尖端位置,而无法准确测定钛合金Ⅰ型裂纹应力强度因子的难题。

Ⅰ型裂纹问题的相似形状单元聚缩解法

提出了Ⅰ型裂纹应力强度因子的相似单元聚缩解法．该方法首先在裂纹尖端附近自动划分相似单元，多层相似单元形成一个子结构；然后将子结构内的大量结点自由度聚缩掉，在聚缩过程中充分利用相似形状单元具有相同刚度矩阵的特点，最后通过结点位移计算一组广义坐标，利用广义坐标和应力强度因子间的关系获得应力强度因子．作为算例。

Ⅰ-Ⅱ型裂纹发展的剪应力准则研究

将Ⅰ-Ⅱ型裂纹表面的剪应力引入裂尖应力强度因子的计算,获得了含中心闭合裂纹在不同裂纹长度、倾角以及摩擦系数下裂纹尖端的应力强度因子值。引入等径向剪应力线rτθ这一概念,在预测裂纹发生临界扩展时提出以下两个假设:闭合裂纹将沿着等rτθ线上双剪应力和最小的方向扩展;裂纹尖端的应力强度因子KⅡ达到材料的临界值KⅡC,裂纹将开始扩展;建立了Ⅰ-Ⅱ型闭合裂纹的剪应力准则。利用所建立的断裂判据计算求得的临界起裂角cθ与各种经典复合型断裂准则计算裂纹起裂角的结果较为接近,将其应用于Ⅰ-Ⅱ型裂纹的断裂判定是安全的。

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹J积分计算

采用3点弯试件,运用有限元分析软件ANSYS对复合型裂纹尖端J积分进行计算。通过应力强度因子KⅠ、KⅡ与J积分之间的关系对计算结果进行比较,验证了断裂参量之间的相互关联性。对不同网格划分情况下J积分的计算结果也进行了对比。结果表明,网格划分对计算结果没有影响,如果仅计算J积分值,裂纹尖端不必采用奇异单元划分网格。

用于Ⅰ型裂纹问题的光弹性分析方法

利用包含非奇异项的裂纹尖端弹性场解，给出了一个用于Ⅰ型裂纹问题的光弹性分析方法；与现有的方法相比，本文的方法精度更高，而取数区反而扩大了．

含表面裂纹的K形管结构应力强度因子分布研究

K形管结构是桁架臂起重机臂架重要的承载结构,随着起重机工作时间的增长,尤其是临近使用寿命极限时,其焊趾线区域会存在萌生裂纹的可能并扩展。因此,研究含裂纹的K形管的力学特性具有重要意义。利用ABAQUS软件建立了起重机桁架臂K形管结构的有限元模型,并考虑了焊缝影响与表面裂纹,对有限元模型进行力学分析,提取了裂纹尖端节点的应力强度因子,得出了K形管焊缝周围表面裂纹应力强度因子随几何参数的分布规律。通过分析可知,K形管在腹杆受单向拉力的条件下,腹杆与弦杆的外径尺寸对K形管表面裂纹应力强度因子影响较大,腹杆壁厚、腹杆与弦杆之间夹角则影响较小,为桁架臂起重机的抗断裂设计提供了数据参考。

用于压力容器评定的等K及等δ换算方法

在压力容器缺陷评定标准中对埋藏和表面三维裂纹问题的处理,通常采用半经验的等应力强度因子(K)换算方法。本文提出采用能够反映弹塑性断裂实际特性的参数裂纹张开位移(δ)代替应力强度因子(K),并以圆盘裂纹为例,对等K及等δ换算进行了论证。结果表明:弹塑性状态下等K换算偏于保守,等δ换算比等K换算更加合理适用。

岩体Ⅰ型裂纹的有限元数值模拟分析

叙述了如何运用有限元方法对KⅠ型裂纹断裂韧度测试试验进行数值模拟,并阐述了运用位移法估算裂纹强度因子的过程和方法,重在阐明使用有限元数值模拟计算岩石Ⅰ型裂纹应力强度因子的准确性和可行性。