三维损伤容限设计:离面约束理论与疲劳断裂准则

损伤容限设计是为保证含裂纹结构安全而发展的抗疲劳断裂设计方法。其核心思想是:承认构件中存在初始裂纹,基于断裂力学理论对裂纹疲劳扩展寿命和结构剩余强度进行分析和试验验证,并结合定期检查,保证结构在服役中裂纹不会发生失稳扩展。对于承受交变载荷的结构,如飞机、轮船、压力容器等,损伤容限设计思想已成为保证大型装备服役安全性和经济性相统一的科学设计理念。在回顾飞机结构强度设计理念发展的基础上,总结了损伤容限设计思想的科学内涵;阐明了损伤容限设计的理论基础—断裂力学—由二维理论发展到三维理论的必要性;详细介绍了三维损伤容限设计的理论、方法与应用。最后,对损伤容限设计的进一步发展作了简要展望。

有限厚度双材料板界面缺口附近三维弹性应力场分析

通过三维有限元计算来研究界面缺口附近的应力场 ,分析两种材料结合形成的有限厚度板缺口附近界面上下材料中应力集中系数和离面约束系数的影响因素。板的中面缺口根部附近界面上下两种材料中的相对应力集中系数是B/ ρ、E2 /E1和ν2 /ν1的函数 ,随着E2 /E1值和ν2 /ν1的变化 ,界面缺口上下材料中的相对应力集中系数(Kt) m -p (Kt) p -σ的变化相反。沿厚度方向界面缺口根部附近应力集中系数Kt 均小于中面的 (Kt) m -p,缺口根部界面上下材料应力集中系数Kt 是 2z/B、E2 /E1和ν2 /ν1的函数。沿厚度方向界面缺口根部附近界面上下材料的离面约束系数Tz 也是 2z/B、E2 /E1和ν2 /ν1的函数。缺口根部附近三维影响区域 ,当E2 /E1=1、ν2 /ν1=1时最小 ,随着E2 /E1和ν2 /ν1的增大而增大。

V型缺口裂端的三维应力状态及约束分析

利用三维有限元方法,研究了有限厚度板中V型缺口根部穿透裂纹前沿的三维弹性应力场。对不同厚度、不同缺口张开角和裂纹长度对应力强度因子及裂尖附近的三维约束程度的影响进行了分析,同时还讨论了三维约束区的大小。研究结果显示:当缺口张开角小于60度时,不同缺口的应力强度因子和离面约束因子的分布基本一致,角度的影响不明显。应力强度因子是厚度的函数,板中面的应力强度因子随厚度的增加逐渐减小趋近于平面值,最大为1.08倍的平面值。当板厚超过15倍的缺口深度时,应力强度因子最大值将从中面转移至接近自由表面位置,距中面约0.4倍板厚。三维约束非常明显的区域在裂尖前沿约0.45倍厚度的范围内,二维到三维的过渡区在裂尖前沿1.5倍厚度的区域内;在中面上三维效应影响区最大,随着离中面距离的增加逐渐减小,在自由表面上降为0。

裂尖大变形条件下的约束研究

通过对面内应力比T_x和离面约束T_x在塑性区分布规律的深入分析,发现约束在塑性区不同区域的影响是不同的,在裂尖的钝化区,面内应力比T_x起重要作用,而在钝化区外的塑性区内,离面约束T_x起主要作用;在J-Q理论的基础上引入离面约束T_z可以很好地描述钝化区以外的应力应变分布,在钝化区内引入面内应力比T_x可以对裂尖前方的应力应变进行大变形分析和描述。研究表明综合两个约束的共同作用,可以很好地描述大变形条件下裂尖前方的应力分布。

三维应力约束及厚度效应的有限元分析

文章对有限厚度板裂纹端部应力场、三维应力约束进行了初步探究,得到了不同试件的约束参数及相应的曲线。对一定厚度的均匀拉伸和三点弯曲的标准试件,试件的厚度越大,离面约束的面内约束范围越大。根据面内约束分析,随着试件厚度的增加,弯曲试件首先达到平面应变状态。

X70管线钢不同温度下断裂韧性实验研究

以三维弹塑性断裂理论为基础,对有限厚度板裂纹端部应力场、三维应力约束进行了分析,通过对不同厚度、不同初始裂纹长度在不同温度下三点弯曲试件的断裂韧性测试断口观测和理论分析获得如下结果:离面约束对裂尖应力场及断裂韧性有强烈的影响;断口均产生分层裂纹,其位置、大小和数量与试样厚度、温度和裂纹初始长度有关;温度较低时,分层裂纹距主裂纹根部一定距离,分层裂纹宽度较小,对厚度效应影响较小;温度较高时,分层裂纹首先出现在主裂纹根部,分层裂纹宽度较大且充分张开,降低了试样的有效厚度.对X70管线钢进行性能评价时必须考虑管道壁厚、层裂和环境温度的耦合作用.

有限厚度板穿透裂纹前缘附近三维弹性应力场分析

通过三维有限元计算来研究有限宽度、有限厚度含有穿透裂纹板的裂纹前缘应力场 ,从中找出应力强度因子与板的厚度、裂纹长度之间的关系 ,同时还分析了裂尖的三维约束程度和三维约束区的大小。分析结果表明 :应力强度因子沿厚度的分布是不均匀的 ,应力强度因子的最大值及其位置与厚度有关 ;有限厚度板中面应力强度因子 (KI) m -p 及最大应力强度因子 (KI) max 均大于平面应力或平面应变的应力强度因子。对有限厚度裂纹问题 ,按平面应力或平面应变来考虑是不安全的 ;板中面的应力强度因子 (KI) m -p 及最大应力强度因子 (KI) max 是厚度B/a的函数 ;板的中面离面约束系数Tz 最大 ,自由面 (z=B)Tz =0。沿厚度方向裂尖附近的离面约束系数Tz 也是z/B和B/a的函数 ,随着厚度的增加离面约束系数Tz 增大 ,离中面越近离面约束系数Tz 越大。Tz 随着x的增大急剧减小 ,三维约束影响区域大小大约为板厚的一半 ,且裂纹长度a/W对应力强度因子沿厚度变化规律及Tz 影响区域大小影响较小。

V型缺口冲击试样缺口根部三维弹性应力场分析

通过三维有限元计算来研究 V型缺口冲击试样缺口根部三维弹性应力场。分析了不同厚度含有 V型缺口冲击试样缺口根部的应力集中系数、离面约束系数以及相对离面应力 σz/σz0 。结果表明 :中面缺口根部附近的应力集中系数是 B/a的函数 ,当 B/a值较小时 ,随着B/a值的增加 ,界面缺口根部应力集中系数 Kt增加 ,在 B/a=0 .5附近达到最大值 ;之后 ,界面缺口根部应力集中系数 Kt随着 B/a值的增加反而减小。沿厚度方向界面缺口根部附近应力集中系数 Kt均小于相应中面的应力集中系数 ,缺口根部的应力集中系数 Kt是 z/B和 B/a的函数。沿厚度方向界面缺口根部附近的离面约束系数 Tz也是 z/B和 B/a的函数 ,随着厚度的增加离面约束系数 Tz增大 ,离中面越近离面约束系数 Tz越大。

航空结构铝合金Ⅰ/Ⅱ复合型断裂的三维弹塑性数值分析

在LC4CS铝合金三维Ⅰ/Ⅱ复合型断裂实验的基础上,对Ⅰ/Ⅱ复合型加载模型进行了细致的三维弹塑性有限元计算,系统分析了不同复合度Φ和厚度B对裂纹端部应力场和起裂角的影响。结果表明,对于不同Φ和B的试样,周向应力极大值和三维离面约束因子极小值出现在相同的角度;根据最大周向应力准则,在Ⅰ型载荷占主导(eβq>65.45°)时,三维有限元计算的裂纹起裂角比采用二维MTS准则预测的起裂角更加接近实验结果。实验中8 mm厚度下的复合型断裂具有比采用现有二维断裂准则的预测值更小的起裂角,说明需要发展更加接近实际情况的新的三维复合型断裂准则。

钢桁架桥斜拉杆螺栓裂纹尖端三维应力场研究

运用有限元分析软件建立了钢桁架桥三维仿真模型,研究受拉力最大的斜拉杆螺栓裂纹尖端空间应力场,分析了主拉应力、应力强度和van Mises应力沿三个方向的变化规律,并拟合得到离面约束因子Tz与r/t(距裂尖距离/板厚)之间的关系式.研究结果显示裂纹尖端应力集中现象突出,应力集中系数大于4;裂纹表面与内部的扩展前沿不一致,斜拉杆翼缘板偏桁架外侧裂纹扩展更快,易在螺帽内形成具有隐蔽性的类椭圆裂纹;三维应力约束的影响范围在板厚的60%以内.

紧凑拉剪试样中Ⅰ/Ⅱ复合型穿透裂纹的三维特性分析

进行了Ⅰ/Ⅱ复合型载荷作用下航空结构铝合金CTS试样线弹性的全场三维有限元计算,分析了复合型离面应力约束因子Tz和面内约束T应力的分布特性,研究了厚度和载荷条件对应力各分量及应力三轴性水平Rσ、应变能密度U0的影响以及这些量在实验中观察到的裂纹起裂方向上的特点。结果表明:(1)平面内约束T应力在此种试样形式下为零;(2)复合型裂纹的三维效应区与厚度成正比,为0.4-0.5B,与载荷条件基本无关,但是厚度效应随着载荷角的减小逐渐变小,到II型载荷时基本消失;(3)离面约束因子Tz随着径向和厚度尺寸的增加逐渐减小,但在周向基本不发生变化;(4)最小应变能密度U0min的方位能够表征此种材料三维复合型断裂的裂纹起裂方向。研究结果为建立三维复合型断裂准则提供了理论基础。

含圆孔有限厚度板的三维弹塑性分析

通过三维有限元方法来研究单轴拉伸情况下,含圆孔有限厚度板的圆孔边缘附近的弹塑性应力场,直观地分析了三维弹塑性含圆孔板的塑性区分布和应力分布;同时找出了离面约束系数Tz和应力集中系数Kt随不同板厚的变化规律,并将其与弹性状态和平面状态做了对比说明了其独有的特征。