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。

典型耳片接头三维Ⅰ型裂纹应力强度因子研究

在二维有限元分析的基础上,得出了典型耳片接头的二维应力强度因子修正系数;进行了典型耳片接头的三维弹塑性接触有限元模型的仿真分析,引入了耳片厚度修正因子,并结合二维应力强度因子修正结果与三维有限元应力强度因子仿真结果对耳片厚度修正因子进行了拟合,得到了典型耳片接头的三维Ⅰ型裂纹应力强度因子表达式。最后,结合相应的剩余强度试验对应力强度因子表达式的准确性进行验证,结果表明,该应力强度因子计算公式准确性较高。

应力比对铝钢复合材料界面Ⅰ型裂纹应力强度因子的影响

以铝钢复合材料的Ⅰ型界面裂纹为研究对象,运用节点位移外推法求解复合材料Ⅰ型界面裂纹的应力强度因子,得到的应力强度因子通过节点位移表示.对应力强度因子进行有限元数值模拟,研究应力比和应力强度因子之间的关系.研究结果表明:在同一应力比条件下,应力强度因子随裂纹尺寸比的增大而增大;在同一裂纹尺寸比条件下,应力强度因子随应力比的增大而增大.

焦散线法测量Ⅰ型裂纹应力强度因子

通过透射式焦散线实验方法对三点弯梁的底部裂纹应力强度因子进行测量,获得反映应力强度信息的焦散斑图,测量出焦散斑特征尺寸—焦散斑最大直径。通过焦散线方程建立的焦散斑特征尺寸与应力强度因子K1之间的关系,确定了含有Ⅰ型裂纹的三点曲梁在载荷作用下裂纹尖端的应力强度因子,与理论值比较结果符合得很好。

温度场Ⅰ型裂纹应力强度因子的焦散线法分析

将焦散线法用于温度场奇异应力分析，以聚碳酸脂圆环试件进行了温度场Ⅰ型裂纹的测试，分析了其应力强度因子，并作了两个光弹性对照实验，结果比较接近。本文实验是以摄象等快速图象采集与处理系统相配合进行的。

基于ANSYS的Ⅰ型裂纹应力强度因子计算

采用退化奇异等参元分网方法,利用有限元软件ANSYS,建立了含I型裂纹板的有限元模型,求解I型裂纹的应力强度因子。通过与理论公式解析解的对比分析,验证了应力强度因子数值解的合理性与准确性。对进一步深入研究I型裂纹断裂韧性有积极意义,为工程结构断裂分析提供重要参考。

Ⅰ型裂纹应力强度因子的有限元计算方法

建立求解应力强度因子的三点弯曲试样模型,采用位移外推法、应力外推法、虚拟裂纹闭合法等3种不同的方法计算Ⅰ型裂纹应力强度因子K_(I)。研究了载荷、裂纹长度、试样的几何参数等对Ⅰ型裂纹应力强度因子的影响。结果表明,3种方法计算出的KI值的结果一致性良好,与解析解相比都能达到较高精度。分析比较3种计算方法,对裂纹应力强度因子计算方法的选择提供参考。

含Ⅰ型边缘裂纹离心叶轮的应力强度因子预测方法

离心叶轮叶片在高速旋转时容易因裂纹扩展出现断裂破坏。由于叶片几何形状和载荷均很复杂,采用公式法计算I型裂纹的应力强度因子不可避免地存在着误差。扩展有限元法分析应力强度因子虽精度较好,但一般要花费大量的计算时间且有时收敛困难。首先基于ABAQUS软件扩展有限元法模块,仿真分析了不同的裂纹起始位置和裂纹长度下的叶片裂纹尖端应力强度因子,得到其与裂纹长度和起始位置的关系。接下来,基于断裂力学理论知识,检验了公式法估算应力强度因子的准确度。最后,以扩展有限元法的仿真结果为训练数据,以叶片裂纹位置和裂纹长度为输入参数,建立了裂纹尖端应力强度因子的多层反向传播人工神经网络(back propagation artificial neural network, BP-ANN)。算例表明,BP-ANN的预测精度优于公式法,并可有效减少扩展有限元法的仿真次数,推进断裂力学在离心叶轮可靠性设计中的应用。

基于ABAQUS平台考虑T应力的Ⅰ型裂纹扩展模拟开发

工程结构在制造工艺过程中或使用期间会产生裂纹,对结构断裂路径的预测和研究是防治工程安全问题发生的重要手段。在考虑裂纹尖端应力场常数项T应力的基础上对传统的最大周向应力准则(Maximum tangential stress criterion,MTS)和最小应变能密度因子准则(Minimum strain energy density criterion,SED)进行修正,采用Python语言对ABAQUS的前、后处理和有限元计算模块进行二次开发,通过计算最优解的粒子群算法(Particle swarm optimization,PSO)将修正后的准则编入裂纹自动扩展程序脚本中。利用上述二次开发程序对初始纯Ⅰ型裂纹的扩展路径进行模拟,结果表明:采用ABAQUS脚本程序模拟结果与相关文献实验结果吻合,表明了程序的有效性,进而实现考虑T应力的多种断裂准则对裂纹扩展路径的预测;当T应力值处于一定范围内时,修正的MTS准则无法预测裂纹发生的偏转现象,扩展路径呈直线,此时可采用修正的SED准则进行预测。

基于应力梯度的Ⅰ型中心裂纹应力强度因子修正方法分析

基于无限大板Ⅰ型中心裂纹尖端附近非均匀应力分布规律,提出一种考虑应力梯度影响的应力强度因子计算方法。首先,利用校正的Westergaard应力函数求解单向拉伸Ⅰ型裂纹尖端附近应力场,分析其对裂纹扩展的作用,采用应力与距离分离形式,更加凸显因距离r值的大小而引起应力发生变化的本质原因;其次,提出应力系数函数用以表征应力场的变化,考虑当相对应力系数梯度函数值变化1%时,应力梯度变化对裂纹的扩展无影响,并定义为特征距离r eff,以此范围内平均应力去修正应力强度因子K;最后,以20Cr钢为研究对象验证本文方法的正确性和可行性,结果表明:本文计算方法得到的应力强度因子为经典断裂学方法的1.22倍,主要原因是考虑了应力梯度的影响,裂纹尖端附近实际承受的应力增大,应力强度因子增大。

基于数字散斑相关方法测定Ⅰ型裂纹应力强度因子

提出了一种通过数字散斑相关方法测定金属材料Ⅰ型裂纹尖端位置和应力强度因子的实验方法。实验采用疲劳试验机对含Ⅰ型缺口的Cr12MoV钢试件预制裂纹,通过数字散斑相关方法测试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。将位移场数据代入裂尖位移场方程组,采用牛顿-拉普森方法求解含未知参量的裂尖非线性位移场方程组,计算裂尖位置和应力强度因子。实验结果表明,采用该方法可以准确地测定金属材料Ⅰ型裂纹应力强度因子、裂尖位置及裂纹扩展长度,解决了以往研究中因不能准确测定裂纹尖端位置,而无法准确计算Ⅰ型裂纹裂尖断裂参数的难题,揭示了金属材料裂纹扩展过程中应力强度因子演化特征。

含单个Ⅰ型裂纹的高温超导块材应力强度因子修正及计算

高温超导块材在外磁场下降过程中会受到拉伸应力的作用,可能导致其断裂,且其在受到拉伸应力作用时裂纹尖端产生小范围屈服,此时用线弹性理论计算应力强度因子将不准确。本文通过统一强度理论对裂纹尖端塑性区的应力强度因子计算公式进行修正。随后基于Bean模型分别讨论了外磁场变化速率和外磁场大小对应力强度因子的影响。结果表明高温超导块材充磁过程中,外磁场以较小速率下降时主要考虑外磁场下降速率对裂纹扩展的影响,当外磁场较大时,主要考虑外磁场大小对裂纹扩展的影响。本文结果对高温超导块材充磁过程中的裂纹扩展和应力强度因子的计算具有一定的参考价值。

考虑残余应力的钢桥面板-肋双面焊裂纹应力强度因子计算方法

建立焊接分析有限元模型,对顶板-纵肋双面焊构造的焊接过程进行数值模拟,拟合得到顶板焊趾细节沿板厚方向分布的横向残余应力分布经验公式;建立钢桥面板断裂力学数值模型,结合统一的权函数表达式,推导适用于顶板焊趾处裂纹最深点和表面点应力强度因子的新权函数,并将权函数计算的应力强度因子与有限元计算的应力强度因子进行对比。研究结果表明:顶板-纵肋双面焊顶板焊趾处残余应力沿板厚方向处于拉—压—拉状态,呈正弦函数分布;在二次应力分布下,权函数法与有限元法计算所得顶板焊趾处裂纹最深点应力强度因子最大相对误差为7.4%,表面点应力强度因子最大相对误差为4.1%;在焊接残余应力场下,权函数法与有限元法计算所得顶板焊趾处裂纹最深点应力强度因子最大相对误差为7.6%,表面点应力强度因子最大相对误差为8.6%;权函数法能有效计算钢桥面板-肋双面焊顶板焊趾处疲劳裂纹应力强度因子。

舟桥单双耳接头裂纹应力强度因子研究

为更准确地评估含表面裂纹缺陷舟桥装备的安全情况,研究了裂纹形状比和倾斜角对裂尖应力强度因子的影响。对裂纹模型及有限单元法进行了分析;利用有限元模型对软件计算准确性进行了验证;通过对不同形状比和倾斜角的裂纹裂尖应力强度因子进行计算,分析了其变化规律。结果表明,在裂纹长度一定时,增大形状比使得裂纹前缘应力强度因子减小,且影响较大;在形状比一定时,与轴向载荷垂直的平面裂纹前缘应力强度因子最大。

油罐车储罐裂纹应力强度因子影响因素研究

针对油罐车储罐的安全问题,裂纹破坏尤为常见,张开型裂纹是其主要破坏形式。此外,储罐长期受到油体腐蚀作用,会产生大小各异的腐蚀坑。文章研究了影响油罐车裂纹应力强度因子的因素,分析了裂纹尺寸和腐蚀坑对储罐裂纹应力强度系数的影响规律。基于有限元扩展法,对含裂纹的油罐进行三维建模;利用相互作用积分法,对储罐裂纹的应力强度因子进行了求解。在考虑了腐蚀坑洞效应的基础上,分析应力强度因子受腐蚀坑尺寸影响的规律。结果显示,张开型裂纹的应力强度因子随裂纹尺寸的增加而增加;此外,腐蚀坑对应力强度因子也有比较明显的影响,腐蚀坑的深度和半径越大,应力强度因子越大。

球形压力容器的裂纹应力强度因子分析

为探究双材料球形压力容器裂纹初始角度对于裂纹应力强度因子的影响,以N6-Q345双材料球形压力容器作为研究对象,通过建立有限元模型进行数值模拟的方式模拟N容器不同的裂纹初始角度,并结合相互积分作用法对应力强度因子进行计算。结果表明:裂纹Ⅰ型、Ⅱ型应力强度因子会随着裂纹初始角度增大而增大,但Ⅱ型应力强度因子会在裂纹初始角度为45°时达到最大值,超过45°则会降低;高强度性能Q345材料侧的裂纹尖端应力强度因子要始终高于低强度性能N6材料侧的裂纹尖端应力强度因子;J积分、等效应力强度因子会随着初始角度的增大而增大,但Ⅰ型应力强度因子占据主导地位,裂纹更易向着高强度材料(Q345)界面侧发生扩展。

管路外表面裂纹应力强度因子研究

油气管道裂纹会降低管路的承载能力甚至会带来危险,因而研究带内压的有裂纹管道的安全性成为迫切需要解决的问题。以椭圆表面裂纹的管道为研究对象,通过对裂纹体进行有限元软件和三维裂纹分析软件联合仿真,研究裂纹体的应力云图和裂纹应力强度因子变化。研究结果表明:径向裂纹若增大倾斜角与深度,将增加裂纹前缘的应力集中;增加裂纹倾斜角度,Ⅰ型裂纹应力强度因子和J积分会小,Ⅱ型和Ⅲ型裂纹应力强度因子会增加;椭圆裂纹的深度加大会让裂纹前缘的Ⅰ型裂纹应力强度因子和J积分变大,但两端处值的增长速度大于尖端处;裂纹长度的增加会让裂纹尖端附近Ⅰ型裂纹应力强度因子和J积分增长速率大于裂纹两端处。研究结果为管道裂纹扩展与控制提供技术支撑。

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。

应变片法确定Ⅰ型裂纹动态应力强度因子试验研究

基于扩展裂纹尖端附近应变场分析,采用冲击载荷作用的三点弯曲梁进行试验,开展了应变片法确定Ⅰ型裂纹动态应力强度因子的研究。明确了应变片与裂纹扩展方向之间朝向角为特定锐角和钝角条件下,动态裂纹尖端附近的归一化应变采用与裂纹扩展速度、应变片黏贴位置相关的二项式来表示,给出了二项式的相关系数确定过程和动态应力强度因子计算式。结果表明,二项式的理论计算的应变与时间关系变化曲线与试验实测相吻合;选取曲线最大值两侧3/4峰值处的时间差为特征时间△t时,理论计算结果与实测的应变与时间关系一致性较高;选用理论计算和试验实测的应变与时间关系变化曲线最大值,结合计算式,确定Ⅰ型裂纹动态应力强度因子,同时,与采用动焦散线法计算的结果进行对比,验证了应变片法确定Ⅰ型裂纹动态应力强度因子的可行性。研究过程为应变片法在岩石断裂力学特征量的测定提供了理论基础。

周期性Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的应力强度因子

解析法求解复合型裂纹的应力强度因子是断裂力学基础研究中极富挑战性的困难问题 .文中用 Westergaard应力函数法先求解出周期性 型和 型裂纹的应力强度因子及应力场 ,在此基础上 ,针对周期性共线 - 复合型裂纹 ,得到了满足控制方程和边界条件的 Westergaard应力函数解 ,进而导出其应力强度因子的表达式 ,为工程问题中裂纹群的研究提供了新思路 .