孔洞对疲劳裂纹扩展路径的影响

为了研究孔洞位置和尺寸对疲劳裂纹扩展路径的影响,利用ABAQUS有限元仿真软件建立改进CT试样的裂纹扩展仿真模型,采用扩展有限元法研究了在低周疲劳加载条件下Q235钢圆孔与裂纹尖端的角度、距离以及圆孔半径对裂纹扩展路径的影响,并通过引入裂纹偏转系数来定量描述不同参数对裂纹扩展路径偏转程度的影响。结果表明:当圆孔与裂纹尖端的夹角为45°时,裂纹偏转系数取得最大值;裂纹偏转系数随着孔洞半径的增加逐渐增大,随着圆孔与裂纹尖端距离的增大逐渐减小。

基于离散元法三裂纹岩石裂纹扩展特征的试验与数值研究

为研究三裂纹岩石的静力学破坏特征,采用离散元数值模拟软件PFC2D和模型试验方法,分析三裂纹岩石的峰值应力、应力—应变曲线及裂纹扩展特性,验证离散元数值模拟方法的可行性。通过改变岩石的水平围压和裂纹长度,分析单轴压缩载荷作用下三裂纹岩石的力学响应机制。研究结果表明:中间横向裂纹对裂纹岩石的峰值应力影响较大,中间竖向裂纹对裂纹岩石的峰值应力影响较小;加载过程中裂纹尖端最先出现应力集中现象,最后形成2条约70°的主裂纹贯通3条预制裂纹;随着围压的增大,三裂纹岩石的峰值应力先增大后减小;随着裂纹长度的增加,三裂纹岩石的峰值应力不断减小。

应力场常数项对Ⅰ型裂纹起裂扩展行为影响

对含裂纹材料与结构断裂力学评估中的最大环向应力准则(MTS)、最小应变能密度因子准则(SED)和平均应变能密度准则(ASED)以及在此基础上考虑应力场常数项影响修正的断裂准则进行介绍;基于考虑裂尖应力场奇异项和常数项的修正MTS准则、修正SED准则和修正ASED准则,对比分析了裂尖应力场常数项对Ⅰ型裂纹的起裂扩展行为,探究了裂纹尖端应力场常数项以及材料泊松比对Ⅰ型裂纹偏折、断裂极限的影响规律,掌握了应力场常数项对Ⅰ型裂纹偏折、起裂扩展影响阀值。研究结果表明,裂纹尖端应力场常数项T应力对Ⅰ型裂纹起裂扩展偏折角及断裂判据的影响不可忽略,研究结果可为含裂纹材料与结构断裂力学评估提供一定参考。

水中高压电脉冲作用下径向预制裂纹扩展规律

为研究水中高压电脉冲作用下页岩多条预制裂纹同步扩展应力干扰作用对裂纹扩展影响,通过裂纹扩展轨迹、扩展长度、平均宽度、偏转角度和裂纹间等效应力分布的变化规律,综合考虑裂纹夹角、裂纹数量、水平地应力差等因素对裂纹起裂、扩展的影响。采用真三轴高压脉冲水力压裂试验平台进行实验室压裂试验和扩展有限元法(extended finite element method, XFEM)数值模拟计算,利用PCAS(pore and cracks analysis system)裂隙分析软件分析裂纹几何形态特征。结果表明:水中高压电脉冲作用下,预制裂纹可沿径向及轴向起裂、扩展;径向双裂纹间夹角越大,缝间干扰作用越弱,裂纹扩展曲折程度越好,扩展效果越好;等夹角径向三裂纹扩展,中间裂纹受应力干扰、受抑制作用最大,不等夹角径向三裂纹扩展,远离中间裂纹的右侧裂纹受干扰最小,扩展效果最好;随着水平地应力差增加,裂纹间应力干扰作用增强,裂纹扩展效果逐渐减弱。研究成果可为分析水中高压电脉冲作用下页岩多预制裂纹扩展过程和规律提供一定的参考。

不同填充裂纹位置与尺寸下的类岩石试样破坏研究

为了研究不同填充裂纹位置和尺寸对类岩石试样力学性能和破坏特征的影响,制备裂纹宽度分别为20 mm、40 mm和60 mm,开度分别为2 mm、4 mm和6 mm且分别分布于试样中部和边部的类岩石试样,分析试样的单轴压缩强度和裂纹扩展状态。结果表明:随着裂纹宽度和开度的增加,试样的有效承载能力逐渐降低,单轴压缩强度逐渐下降;中部裂纹两端萌生的翼型裂纹是试样失效的主要裂纹,边部填充裂纹能够有效抑制翼型裂纹的萌生,使得边部填充裂纹试样单轴压缩强度高于中部填充裂纹试样。该研究可以为巷道支护结构的安全性能评估和使用寿命预测提供试验依据。

喷丸对铝合金亚表面裂纹闭合修复的影响与试验

目的研究喷丸修复7075-T651铝合金亚表面裂纹的愈合机理及修复效果。方法建立材料亚表面裂纹在喷丸作用下的修复模型,运用Ansys进行数值模拟计算,并预测裂纹深度修复阈值;根据模型,利用线切割制造相应的裂纹,并对其进行喷丸修复,从残余应力、疲劳强度、微观结构等方面分析裂纹愈合的机理,并评估修复效果。结果仿真结果表明,在弹丸直径D=0.5mm、弹丸速度v=100m/s时喷丸修复效果最佳,裂纹修复深度阈值为0.15 mm;裂纹修复区域的表面应力为非裂纹区域的83.17%,实验结果与仿真结果相符;在修复裂纹后,试件的疲劳强度可以达到完好试样的70.32%。剧烈的喷丸冲击使裂纹亚表面材料产生较大的微观形变热,有利于组织形变,促使裂纹两侧的晶粒组织形成闭合挤压,宏观上表现为压应力下组织的紧密闭合,这种闭合起到了修复裂纹的作用,整体上属于物理性修复,但仍无法完全消除裂纹对材料的消极影响。结论喷丸通过压力作用对亚表面材料的裂纹进行闭合修复,使材料的疲劳强度得到恢复,这对于铝合金结构件裂纹的早期修复和应急性修复具有积极作用。

基于单谐振结构的金属裂纹CRFID传感器设计

为实现单结构谐振器对金属裂纹参数的无损检测,设计了一款同时检测裂纹宽度及方向的无芯片射频识别(CRFID)金属裂纹传感器。将圆形、切角矩形谐振器一体化设计,利用HFSS有限元分析软件对传感器进行结构优化与性能仿真。深层次探究了不同裂纹缺陷下传感器雷达散射截面(RCS)的响应特征。结果表明金属结构的裂纹方向和裂纹宽度可以通过传感器谐振频率的变化进行识别。双极化下RCS幅频特性的频偏方向对应裂纹的方向,而频偏量与裂纹宽度成正比。设计的CRFID传感器能够检测0°水平方向、90°竖直方向、45°或135°斜向等三类方向下的亚毫米宽度裂纹,其中裂纹宽度检测灵敏度最高可达43.5MHz/0.1mm。

压载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型中心裂纹板弹塑性屈曲载荷研究

为了研究含裂纹结构承载能力,采用有限元方法建立压载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型中心裂纹板模型,计算裂纹板弹塑性屈曲载荷,讨论相对裂纹长度(a/w)、裂纹倾角(θ)、板宽(w)、板厚(t)、边界条件对弹塑性屈曲载荷及其变化规律的影响。对于上下夹持中心裂纹板,随着裂纹长度和裂纹倾角的增大,板宽越大,中心裂纹板屈曲载荷对裂纹越敏感,中心裂纹板承载能力受到裂纹长度和裂纹倾角的影响越明显。弹塑性屈曲载荷随着板厚的增大而增大,并且随着裂纹倾角的增大,板厚越大,屈曲载荷的下降程度越显著。上下简支中心裂纹板与上下夹持中心裂纹板的屈曲载荷变化规律基本一致,且上下夹持中心裂纹板的屈曲载荷显著大于上下简支中心裂纹板的屈曲载荷。给出不同边界条件下弹塑性屈曲载荷与相对裂纹长度、裂纹倾角的回归关系式。通过中心裂纹板弹塑性屈曲试验发现,采用压缩力学性能计算弹塑性屈曲载荷更接近试验结果,试验屈曲载荷的变化规律与有限元模拟计算结果一致。研究结果对含裂纹结构的承载能力评价具有参考价值。

FGH96粉末涡轮盘结构模拟件疲劳小裂纹扩展试验

为了分析涡轮盘轮缘榫槽等几何不连续部位对疲劳裂纹萌生及小裂纹扩展行为的影响,基于FGH96粉末盘实际构型设计结构特征模拟件,并对其在高温条件下开展自然萌生疲劳小裂纹扩展试验,通过疲劳中断试验和表面复型技术对榫槽和螺栓孔结构模拟件在500℃下的裂纹萌生和小裂纹扩展行为进行了观测和分析。结果表明:2种结构模拟件缺口表面存在多裂纹萌生现象,随着应力水平的降低,裂纹萌生位置由表面晶界转变为近表面特定方向的晶面以及非金属夹杂物处;2种结构模拟件裂纹萌生寿命占比约为36%~73%,且随着应力水平的降低而提高,裂纹扩展至工程可检裂纹尺寸时的寿命占比约为82%~96%,应力水平对其影响相对较小;特征模拟件缺口附近高水平的塑性变形能够导致小裂纹扩展速率分段特征现象消失,并延缓裂纹扩展过程中的合并行为,延长裂纹扩展寿命。

基础激励下裂纹梁结构疲劳寿命预测模型

为了发展基于模型的裂纹梁结构疲劳寿命预测方法,提出了一种新的三维裂纹梁单元刚度矩阵。基于该刚度矩阵,建立基础激励下裂纹梁结构的三维有限元模型。推导三维裂纹梁单元的应力强度因子,建立三维裂纹梁单元的疲劳裂纹扩展模型。采用振动响应与裂纹扩展增量交互计算方法,计算循环载荷作用下裂纹梁结构的疲劳寿命。研究结果表明:裂纹梁结构寿命预测模型较好地体现了疲劳裂纹扩展寿命与基础激励参数、结构参数和裂纹参数之间的内在关系,反映了基础激励对裂纹梁结构疲劳寿命的影响。最后通过实验对模型进行了验证。

12 mm厚TC4钛合金激光-MIG复合焊接头疲劳裂纹扩展行为研究

为探究12 mm厚TC4钛合金激光-MIG复合焊接头在不同区域的疲劳裂纹扩展行为,并分析微观组织与裂纹扩展之间的相互作用。利用体式显微镜、相显微镜、扫描电子显微镜和电子背散射衍射技术分别对接头不同部位的裂纹扩展速率,裂纹扩展路径的变化,接头不同区域的显微组织与裂纹扩展的交互作用和裂纹尖端周边组织的变形特征进行了深入探究。结果表明,在裂纹稳定扩展阶段,母材区域的裂纹扩展速率最大,分别是热影响区和焊缝区域裂纹扩展速率的1.16倍和1.81倍。当ΔK=20 MPa·m^(1/2),母材裂纹扩展速率为3.39×10^(-4)mm/cycle。裂纹尖端的IPF图表明,在焊缝区中存在的50°~70°的大角度晶界占比为36.36%,高于母材的11.91%和热影响区的11.65%,大角度晶界的存在使裂纹沿晶界偏转或消耗更多能量穿过晶界,增大裂纹扩展阻力,表现出较好的裂纹扩展抗性。母材和热影响区表现出沿晶脆性断裂和韧性断裂的混合断裂模式,而焊缝区主要呈韧性断裂模式。此外,EBSD分析结果表明,焊缝区裂纹尖端附近具有更高的几何位错密度,位错在马氏体边界聚集,导致裂纹沿晶界发生偏转,进一步阻碍了裂纹的扩展。施密特因子分析也表明,焊缝区组织间的取向差差异较大,导致其裂纹扩展门槛值较高。综上,焊缝区中存在的大量大角度晶界和高位错密度是焊缝区具有较高裂纹扩展抗性的主要原因。

齿根裂纹扩展对轮齿时变啮合刚度变化关系的分析

针对齿根裂纹扩展与时变啮合刚度的理论值与实际值偏差较大的问题,该文基于能量法对传统的时变啮合刚度模型进行优化,以获得理论时变啮合刚度的变化规律与实际情况接近。在传统理论时变啮合刚度理论模型的基础上,考虑轮齿的Hertz接触刚度、径向压缩刚度、轮齿的弯曲刚度和轮齿的剪切刚度,以及轮体的柔性变形量等因素,对传统的理论刚度模型进行改进。再采用能量法计算,验证改进的理论模型对健康轮齿、齿根裂纹扩展程度和裂纹扩展角度这3种不同状态下,获得轮齿时变啮合刚度的变化规律。研究结果表明,经改进后的理论刚度模型,计算得出时变啮合刚度变化规律的一致性较好。并且,得出时变啮合刚度值的大小,随着齿根裂纹故障严重程度的增大而减小,随着齿根裂纹扩展角度增大而增大。

钢桥复杂构造疲劳裂纹跨尺度扩展与寿命预测

针对传统宏观唯像学方法无法描述钢桥疲劳损伤由微观到宏观的多尺度演化过程的问题,建立了可描述钢桥复杂构造疲劳裂纹跨尺度扩展与寿命预测方法.首先,结合微观晶体塑性本构模型,建立了以能量耗散理论为基础的微观短裂纹成核与扩展模型.同时,结合线弹性断裂力学,建立了宏观长裂纹扩展模型.在此基础上,以钢桥典型的纵肋与顶板焊接构造细节为研究对象,结合既有疲劳试验,模拟并验证了微观短裂纹的成核、扩展,以及宏观长裂纹扩展全过程.数值模拟结果与试验结果基本一致,表明所提出的疲劳裂纹跨尺度扩展与寿命预测方法对于钢桥复杂构造细节疲劳损伤演化与评估具有较好的适用性.

恒静载降K法测定焊缝疲劳裂纹扩展门槛值研究

焊接残余拉应力会显著降低焊接接头疲劳性能,因此,焊接结构疲劳寿命评估参数的测定应对焊接残余应力予以充分考虑.为测得考虑焊接残余应力影响条件下的疲劳裂纹扩展门槛值,本文提出通过设定恒定平均外载以等效残余应力作用,进而逐级降低裂尖应力强度因子范围(ΔK)测得焊缝疲劳裂纹扩展门槛值的方法,即恒静载降K法.通过与ASTM E647-15等标准推荐测试方法所得结果对比,探究了恒静载降K法测量值适用性;通过扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)等手段观察,对比分析了不同测量方法近门槛值载荷下的裂尖材料疲劳断口和变形行为.结果表明:采用恒静载降K法测量焊缝疲劳裂纹扩展门槛值最低,采用恒最大应力强度因子(K_(max))降载法的测量值次之,采用恒应力比(R)降载法的测量值最高.对比不同裂纹尖端K_(max)设定对门槛值测量的影响,发现随着K_(max)增大,门槛值测量值先快速下降,随后趋于平稳;采用恒静载降K法测定过程中K_(max)呈逐渐上升趋势,相应的门槛值测量值最低.疲劳断口显示,随着外加平均载荷增大,在近门槛值阶段断口形貌由疲劳辉纹转变为微区解理断裂;基于EBSD表征计算的裂尖材料几何必需位错密度表明,随着近门槛值外载的平均载荷增大,裂纹尖端位错密度增加.

含裂纹损伤试验构件力学试验分析及材料性能研究

以裂纹长度相对于构件宽度的比例作为构件的相对裂纹长度,研究了相对裂纹长度对含裂纹损伤试验构件的剩余极限强度、断后伸长率和力学性能的影响。研究结果表明:随着相对裂纹长度的增大,含裂纹损伤试验构件的剩余极限强度呈现近似线性减小的规律,并且含裂纹损伤试验构件剩余极限强度的有限元分析结果可以近似当作材料的屈服强度;当相对裂纹长度较小时,含裂纹损伤试验构件呈现塑性性能,试验构件在荷载作用下发生塑性破坏;当相对裂纹长度较大时,含裂纹损伤试验构件将由塑性性能朝脆性性能快速转变,试验构件在荷载作用下不一定发生塑性破坏;当相对裂纹长度大到一定程度时,含裂纹损伤试验构件呈现脆性性能,试验构件在荷载作用下发生脆性破坏。

裂纹工况下斜齿轮系统啮合刚度计算模型研究

当斜齿轮副产生裂纹时,会影响齿轮副的啮合刚度。为了获得更准确的裂纹斜齿轮副的啮合刚度,提出一种改进的裂纹斜齿轮啮合刚度计算模型,综合考虑轮齿刚度、齿轮基础刚度在横向和轴向的影响,研究了齿顶扩展裂纹和端面扩展裂纹两种典型裂纹工况下的齿轮系统啮合刚度,并将啮合刚度解析计算结果与有限元模拟结果进行了对比。结果表明:啮合刚度的降低程度主要与裂纹区域有关,裂纹区域越大,啮合刚度降低越大;在裂缝长度和深度相同的情况下,端面扩展裂纹对啮合刚度的影响比顶部扩展裂纹更显著。仿真结果与计算结果吻合较好,验证了所提方法的准确性和有效性。

裂纹对弹性波在混凝土中传播特性的影响研究

目的为研究混凝土中裂纹对弹性波传播特性的影响,方法采用COMSOL软件构建弹性波在不同形态混凝土裂纹中的传播数值模型,并开展带裂纹混凝土的弹性波传播试验,系统研究混凝土裂纹特征(裂纹角度、裂纹深度、裂纹距声发射源距离、裂纹数量等)与弹性波传播之间的关系。结果研究发现:数值模拟结果与试验现象吻合较好,验证了数值模型的可靠性。其中,裂纹数量和裂纹距声发射源距离的变化对回波峰值影响较大,距声发射源2 cm裂纹的回波峰值最大,为3.46×10^(6)Pa;对波速和信号损伤影响最大的因素为裂纹深度,60 mm深度裂纹损伤率高达62.14%、波速衰减至2590.674 m/s,其次为裂纹数量,信号损伤率达31.28%。基于不同裂纹特征的波速变化规律,对裂纹角度和深度的波速关系模型进行回归分析,回归曲线拟合优度较好,R^(2)均大于0.95。结论混凝土中存在的裂纹和裂纹特征对弹性波传播具有显著影响,本文研究结果为混凝土无损检测技术提供了理论支撑。

山核桃破壳裂纹产生与扩展试验研究

探究山核桃受冲击力破壳裂纹产生与裂纹延展的规律,对突破制约核桃破壳取仁环节装备的瓶颈有较好的指导意义。以皖浙交界天目山区的山核桃为试验材料,采用不同形状的冲头预制裂纹,结合仿真分析研究其对裂纹萌生引导的影响。通过烘烤试验,观察裂纹延展趋势与规律。借助试验结果的启示,设计了山核桃破壳机。破壳部件的敲击锤头与果臼槽采用内附七窝眼的凹槽型结构,使得山核桃在冲击力的作用下,密集分布的棱线能够有效地实现裂纹引导,利于壳仁分离,获得更好的破壳质量。样机通过试验达到了预期效果,其破壳物料为后续加热、振动加工等工序提供便利。

钢轨轨底裂纹扩展影响因素分析

【目的】为分析钢轨材质、残余应力、温度应力在钢轨使用中的内外因对轨底裂纹扩展的影响开展研究。【方法】基于断裂力学理论结合轨底伤损实测,建立钢轨轨底裂纹扩展模型,对轨底伤损扩展失效时的临界裂纹尺寸、裂纹平均扩展速率、剩余寿命等指标进行量化分析。【结果】结果表明:钢轨材料断裂韧性与轨底初始伤损扩展的剩余寿命存在正相关关系,U95Cr H材质钢轨的轨底裂纹扩展剩余寿命小于U78CrV H材质小于U75V H材质;以某线路实际使用的钢轨材质U78CrV H为例,轨底残余应力由0增加至300 MPa,轨底裂纹扩展的临界尺寸增长约2.5%,剩余寿命下降约6%;残余应力为200 MPa时,温度应力由0增加至200 MPa,轨底裂纹扩展的临界尺寸变化不大,在1%内。【结论】研究结果可为轨底裂纹扩展研究和养护维修提供参考。

镍基变形高温合金裂纹形成及控制研究进展

随着高性能航空发动机对材料要求的不断提高,新型镍基变形高温合金的合金化程度和γ'相质量分数也在不断增加。这就导致了合金的熔炼难度逐渐提高。高合金化的新型镍基变形高温合金一般通过真空感应熔炼(VIM)+保护气氛电渣重熔(PESR)+真空电弧重熔(VAR)三联工艺来生产。受合金化程度的影响,合金在熔炼过程中易产生液固相间的溶质分凝和元素偏析,电极和铸锭在热应力与相变应力的综合作用下极易发生开裂,造成后续重熔过程电弧波动,从而对铸锭质量造成不利影响。电极裂纹问题是高温合金凝固过程中产生的一种复杂冶金缺陷,也是长期困扰我国高合金化难变形高温合金锭型扩大的共性技术难题。基于此,综述了近年来作者团队和国内外研究组在变形镍基高温合金熔炼过程中裂纹的形成机制、裂纹的影响因素及裂纹控制方面的研究进展,并对沉淀强化型镍基变形高温合金的未来发展方向进行了展望。