基于应变损伤的热挤压模具疲劳失效预测模型及验证

以典型热挤压凸模服役工况为切入点,通过有限元数值模拟获取模具危险部位的加载历程,采用Neuber算法对其进行修正,获得归一化处理之后的载荷谱作为疲劳分析的加载曲线;基于Manson-Coffin模型,实验获取模具材料在服役温度下的拉伸性能,得出材料的应变-寿命曲线,建立基于应变损伤的模具疲劳失效预测模型。针对铝合金挤压件特定工况,进行模具在球化退火+1020℃油淬+580℃×2 h两次回火处理后的疲劳寿命预测,并对模型进行验证。结果表明:所建模型预测寿命为1318次,实际寿命为1120次,模具失效部位、服役寿命与预测结果吻合良好。

纯弯曲梁的应变损伤失效分析和预测

提出了纯弯曲梁的应变损伤失效分析方法 ,与Kachanov的材料受载横截面减少定义拉伸损伤变量类似 ,以梁的弯曲惯性矩减少定义弯曲损伤变量。推导了梁的弯曲应变损伤基本方程 ,其中的材料常数可由Kachanov拉伸损伤模型的材料常数确定。

基于应变损伤的传动轴低周疲劳研究

某车辆在执行任务期间,变速箱内主传动轴多次发生断裂故障,裂纹从花键过渡曲线根部产生并扩展。通过分析发现,该轴在服役期间受到了较大的冲击扭矩,导致传动轴花键过渡部位出现塑性变形并形成应变损伤。根据Manson公式,结合有限元塑变分析,进行了基于应变损伤的低周疲劳寿命计算,得到其低周疲劳寿命为2574次,与台架试验结果非常接近,研究为周期性冲击载荷下传动轴的低周疲劳失效分析提供了可行性的探索。

应变损伤材料I型动态扩展裂纹尖端场的渐近分析

研究了应变损伤材料Ｉ型动态扩展的裂纹尖端场。假定材料服从Ｊ＿２流动理论，且损伤规律以幂律应变软化的规律给出。对于塑性区引进了应力函数φ，ψ。借助于动力学方程的分析，给出了渐近方程及数值解。结果表明，对于可压缩材料Ｉ型平面应变尖端场是完全由塑性区组成，没有弹性卸载区。在裂纹尖端附近，应力和应变分别具有如下的奇异性：

脆性岩石循环加卸载试验及应变损伤参数分析

为研究不同应力状态循环加卸载条件下脆性岩石的强度、变形和损伤力学特性,对马城铁矿辉绿岩开展了单轴压缩、三轴压缩以及单轴、三轴循环加卸载等不同应力路径岩石力学试验,得到了脆性岩石在单轴和三轴条件下的强度、变形特征以及循环加卸载应力-应变曲线变化规律。给出一种岩石循环加卸载过程中相对应变损伤参数,结合现有损伤力学理论,对脆性岩石破坏过程中的损伤演化规律进行了研究。试验结果表明：1UCS条件下,循环加卸载峰值强度比平均单轴压缩峰值强度低10%-20%;CTC条件下,峰值强度出现离散性。2循环加卸载过程中弹性常量变化趋势跟岩石内部微裂隙的闭合、张开、扩展等断裂损伤机制密切相关。3岩石内部的损伤积累程度随循环次数的增加而不断增大,绝对应变损伤参数几乎不受围压作用的影响,而相对应变损伤参数受到围压的约束作用。

动态扩展裂纹尖端的应变损伤场

采用塑性动力学方程,对平面应变裂纹尖端的动态损伤场进行了渐近分析,给出了平面应变情况下的本构方程。其结果表明:在裂纹尖端附近,应力和应变分别具有如下的奇异性:σ～(1n R/r)-1/(n+1),ε～(1n R/r)n/(n+1).基于这种渐近解,提出了一种断裂准则。

应变损伤材料Ⅲ型动态扩展裂纹尖端的弹塑性场

采用应变损伤模型,对应变损伤材料Ⅲ型动态扩展裂纹尖端的弹塑性场进行了研究。在假定材料服从J_2流动理论的前提下,应用应变弱化形式给出了近似损伤结果,推导了反平面剪切情况下的本构方程,并且给出了Ⅲ型动态扩展裂纹尖端场的渐近方程。分析结果表明,在裂纹尖端,应变具有(1n R/r)~δ奇异性,应力具有(1n R/r)^(-nδ)奇异性。从而揭示了应变损伤材料Ⅲ型动态扩展裂纹尖端场的渐近行为。

承压设备典型材料应变腐蚀损伤研究

伴随工业技术的持续发展,各行业对压力设备性能的要求越来越高。承压设备材料作为影响设备性能的主要因素,合理选择材料是延长设备使用寿命的重要措施。应变腐蚀损伤作为承压设备常见损伤类型,本研究主要探讨承压设备典型材料应变腐蚀损伤,为相关领域提供参考。

基于能量原理不同含水率下煤岩体变形破坏能量损伤演化机制

为探究不同含水率下煤岩体在变形破坏过程中的能量演化规律与损伤演化特征,对双马一矿煤岩体开展了在不同含水率条件下单轴压缩试验,基于能量计算及最小耗能原理,分析不同含水率下煤岩体能量耗散特征及损伤演化机制,结果表明:不同含水率下煤岩体力学性质不同,峰值应变与含水率呈正相关,抗压强度、弹性模量与含水率呈负相关;煤岩体含水率越高,其在峰值处弹性应变能及破坏吸收总应变能越小,耗散能占总应变能比例越高;基于最小耗能原理建立的损伤本构模型表明:随着煤岩体含水率增加,损伤门槛值逐渐降低;干燥状态下,煤岩体在应力峰值处损伤变量分别为0.36、0.28,当含水率增至自然状态时,煤岩体在应力峰值处损伤变量值分别下降0.09、0.18,但当含水率增至饱水状态时,煤岩体在应力峰值处损伤变量值反而分别大幅度上升0.102、0.49,总体呈先减后增的发展趋势;进一步建立了不同含水率煤岩损伤应变能释放率演化模型,低含水率煤岩较干燥煤岩的最大损伤应变能释放率大幅度下降,降幅分别为45.61%、31.29%,而随着含水率增加至饱水状态,其最大损伤应变能释放率增大幅度较平缓,分别为3.08%、8.80%,表明煤岩破坏剧烈程度并未大幅度增加。研究成果对煤岩矿柱水害预测评价与岩石损伤评估具有一定参考意义。

岩石类材料应变梯度损伤模型研究及应用

本文提出基于应变梯度的损伤模型 ,并用于材料局部化损伤模拟预测中。在有限元数值计算中对平面问题 ,使用平面高阶连续高精度单元和有限差分方法耦合 ,在保证精度情况下可提高计算效率 ,还避免对传统有限元程序作较大的改动 ;对三维情况 ,本文构造了四面体高阶连续单元。算例表明该模型对于避免有限元数值方法局部化预测模拟的单元网格依赖性有非常好的效果 。

应变振型损伤特征量在混凝土结构损伤诊断中的应用

为检测混凝土构件损伤的出现、损伤位置及损伤程度 ,本文利用位移振型特征量推导了相应的应变振型特征量 ,并利用Matlab软件编制了混凝土悬臂梁的有限元振动计算程序 ,对混凝土悬臂梁在发生损伤前后的位移和应变振型特征量进行了仿真计算。结果表明 ,位移和应变振型特征量均可确定混凝土悬臂梁上存在的损伤 ,并可确定损伤位置。应变振型特征量较位移振型特征量对损伤更敏感 ,可用于混凝土构件的损伤检测。

基于损伤应变模态的结构损伤识别直接指标法

目前应变类损伤指标大多只能损伤定位,个别方法可初步确定损伤程度,但普遍存在一弱点,即需同时利用损伤前后的模态参数,要得到损伤前的模态数据非常困难,该方法难以在土木工程中推广应用．文中提出基于损伤应变模态差分原理的损伤位置直接指标法ID、基于局域应变模态面积的损伤程度直接指标法IA,只需利用损伤后应变模态数据即能定位损伤、确定损伤程度．推导了损伤应变模态差分格式．建立了损伤位置直接指标、最优多项式完好应变模态曲线拟合、损伤程度直接指标数学模型．根据理论推导和数值仿真统计分析,提出损伤位置判定准则:(1)若某点的每阶指标值均最大,则该点有损伤;(2)若某点的某阶或多阶指标值越大,则该点损伤可能性越大;(3)对于某阶节点损伤,则可通过其余阶的指标值定位损伤．得出损伤程度直接指标具有以下4个特点:(1)随损伤程度增加呈单调递增趋势;(2)与损伤位置无关;(3)与应变模态阶数无关;(4)与是否归一化无关．

混凝土损伤应变与微裂纹的实验研究

采用数字图像相关方法测量了混凝土表面损伤应变场。基于该应变场分析得到了肉眼不可见微裂纹的准确位置,并研究了混凝土立方体在单轴压缩的情况下,平均损伤应变与平均裂纹宽度的相关性。研究结果说明基于数字图像相关的混凝土表面微裂缝的定位方法是可行的。宽度小于0.1 mm微裂缝与平均损伤应变呈线性变化的关系。研究结果可用于判断混凝土微裂缝的位置、发展程度,为进行科学有效的控制或修补,提高结构安全性提供参考。

各向同性材料受各向异性弹性损伤时的应力应变关系

构造了具有主对称性的损伤影响张量,研究了弹性各向异性损伤时的有效应力,按照Lem aitre应变等价性假设,建立了弹性各向异性损伤应力应变关系,并引入了材料的有效柔度张量.由于应力应变关系应该具有对称性,因此要求有效柔度张量具有对称性.采用S idoroff的弹性能等值假设和弹性余能等值假设构造了材料的有效柔度张量.推导出损伤应变能释放率张量.推导了各向同性材料在受各向异性弹性损伤时的应力应变关系,分析表明,原为各向同性的材料,在受各向异性损伤后,表现出各向异性.

岩石单轴压缩应变梯度损伤模型局部化带宽

采用基于各向同性应变梯度损伤模型,在平衡方程中引入高阶应力项和损伤内变量,对单轴压缩作用下岩石变形局部化进行了研究,得到了单轴压缩作用下岩石变形局部化带宽度的一维解析解,给出了岩石试件局部化带的宽度公式,对岩石变形局部化带宽度与损伤内变量的关系进行了分析,为实验测定内部材料长度参数提供了理论依据。岩石试件局部化带的宽度不仅与材料的内部长度参数有关,而且还与损伤内变量(材料的脆塑性)有关。对于塑性材料,局部化带宽度就大;对于脆性材料,局部化带宽度就小。

断裂应变对含损伤焊接接头裂纹扩展驱动力影响的数值

利用弹塑性损伤 -应变耦合有限元方法 ,对含有损伤的焊接接头三点弯曲裂纹试样进行了模拟计算 ,讨论了母材区的断裂应变εfB的变化对焊缝区裂纹的扩展驱动力J积分的影响规律。结果表明 ,焊缝中裂纹的断裂行为受到焊缝两侧母材断裂应变的明显影响。对于无论何种强度匹配的接头 ,在焊缝区各项力学性能参数保持不变的条件下 ,随着母材区断裂应变的减小 ,损伤率的增加 ,损伤区的扩大 ,焊缝中裂纹韧带区塑性应变及裂纹扩展驱动力J积分均有明显的提高 ;随着接头强度匹配比M的降低(即母材屈服强度的升高 ) ,母材区断裂应变的变化对J积分的影响作用逐渐减弱 ;随着焊缝宽度的逐渐增加 ,母材断裂应变的变化对J积分的影响作用逐渐减弱 ,焊接接头试样的计算J积分值逐渐趋向于全焊缝材料试样计算得到的J积分值 ;当焊缝宽度增加到2H/a约为 0 .6时 ,母材断裂应变的变化对焊缝区裂纹扩展驱动力J积分的影响作用完全消失。

压力容器典型材料应变腐蚀损伤研究

压力容器在实际应用过程中,其主要材料关系到了压力容器的性能,对此,保证压力容器典型材料的稳定性,避免其受到腐蚀影响,是确保压力容器性能稳定的关键。本文主要研究了压力容器典型材料应变腐蚀损伤问题,使压力容器保持一个正常的工作状态,以期更好地促进压力容器在社会生产领域中的广泛应用。

考虑裂尖疲劳损伤的材料疲劳裂纹扩展行为研究

基于低周疲劳Manson-Coffin关系,定义I型裂纹疲劳扩展区内关于应变幅的平均疲劳损伤参量,并结合Miner线性累积损伤理论,通过弹塑性有限元法实现材料疲劳裂纹扩展速率的预测模拟,同时也建立以显式理论公式来描述疲劳裂纹扩展速率规律的新型预测模型。在进行有限元模拟分析中借助裂尖单调塑性区平均疲劳损伤达到临界损伤即完成一次步进扩展的假定。在显式理论公式推导中采用裂尖循环塑性区平均疲劳损伤达到临界损伤即完成一次步进扩展的假定。以大型汽轮机转子材料Cr2Ni2MoV钢、航空材料TA12合金和304不锈钢材料为例,应用所提出的两种疲劳裂纹扩展速率预测方法对其进行预测,并同试验结果进行对比。对比分析表明,两种方法对材料的疲劳裂纹扩展速率行为预测均具有较高的模拟精度,而理论预测模型相比有限元模拟方法预测范围拓宽,预测精度更好,方便于根据包括材料手册的资料中低周疲劳Manson-Coffin试验关系来直接获取I型裂纹疲劳裂纹扩展速率表达式。

花岗岩残积土的崩解性及软化损伤参数研究

针对花岗岩残积土的崩解与软化特性,从结构性与损伤角度研究,为今后的定量分析研究奠定基础。首先进行一系列定性崩解试验并利用已有的定量试验结果,引入崩解速率指标,结合花岗岩残积土的微结构特征,对崩解的结构性机制进行全面分析,提出将崩解过程分为扰动性、结构性及溶解性三个阶段,揭示花岗岩残积土崩解的根本致因是软化;然后基于复合体损伤模型,提出将损伤分为应变损伤和非应变损伤,将花岗岩残积土的浸水软化看成一种非应变损伤,利用花岗岩残积土粘聚力与结构强度的相关性,提出浸水软化损伤参数的确定方法。

镍基高温合金的热机械疲劳寿命预测模型研究

针对发动机热端部件常用材料镍基高温合金GH4169进行了200~450℃及400~650℃条件下的同相位热机械疲劳(TMF)试验,考虑TMF条件下多晶材料在弹性阶段产生的微观损伤应变能,提出一种适用于多晶材料的TMF寿命预测模型,并结合试验数据确定模型参数;采用GH4169、IN718、DD8三种高温合金对该模型的TMF寿命预测能力进行评估,结果表明,提出的寿命模型预测精度高于TMF寿命预测常用的Manson-Coffin模型和Ostergren模型。