深部强矿压工作面水力压裂裂纹扩展规律研究

目的为了研究深部强矿压工作面水力压裂裂纹扩展规律,方法以余吾煤矿的3号煤层S5207回风巷为工程背景,首先建立水力压裂力学模型,分析最大周向拉应变准则和裂纹扩展准则,其次通过三维数值模拟,分析水力压裂裂纹扩展影响因子D和地应力对水力压裂裂纹扩展规律的影响,并根据现场情况设计水力压裂试验方案,实施水力压裂增透技术,分析现场施工效果。结果结果表明:预制裂纹沿着与原裂纹呈一定角度开裂并向外延伸,其扩展方向最终与最小主应力方向垂直;随着D增大,裂纹与原裂纹的夹角越来越小,当D较大时,裂纹呈现自相似的扩展状态;不同应力场下,裂纹扩展轨迹主要取决于主应力方向,最终与最小主应力方向垂直,水力裂缝为垂直缝,且在裂纹尖端有应力集中现象;现场监测发现,裂纹扩展符合最大周向拉应变准则,裂纹尖端沿着环向拉应变最大的地方扩展,环向拉应变达到最大时裂纹开始扩展,压裂过程中出现了较大环向裂隙,裂纹沿垂直于最小主应力方向延伸,与S5207回风巷的最大水平主应力方向大致相同,与数值模拟结果接近。结论研究结果可为深部强矿压工作面水力压裂提供参考和依据。

渗透氢对BCC金属裂纹扩展行为的影响

在氢环境下,氢原子会吸附在金属材料表面.随着时间推移,氢原子会渗透进入金属内部占据空隙位置.氢原子的聚集会导致应力集中,最终进一步影响材料的力学行为.本文通过分子动力学方法研究氢在裂纹尖端行为的力学响应.研究结果表明,裂纹尖端吸附的氢降低了原子间的键合力,导致局部应力集中所需的临界外加载荷减小;使得材料在较低的断裂强度条件下发生破坏,并在很大程度上促进了裂纹的扩展.模拟观察到在外加载荷下吸附氢在裂纹尖端的渗透过程,氢原子会聚集在高应力区域,造成材料塑性降低.另外,渗透进材料的氢原子数目会随着计算时间的增加达到一个最大临界值.当施加应变增大,裂纹尖端渗透氢原子数最大临界值和达到临界值的时间会增加.

某船用高强钢低周疲劳裂纹扩展及裂尖塑性区演化的试验与仿真方法研究

船体结构的断裂破坏往往是低周疲劳与累积塑性两种破坏模式共同作用的结果。为研究某船用高强钢考虑累积塑性作用的低周疲劳裂纹扩展行为及塑性区尺寸,本文根据ASTME647标准进行某船用高强钢CT试件在拉-拉循环载荷作用下低周疲劳裂纹扩展试验,并采用DIC方法测量不同裂纹长度下的裂尖塑性区尺寸。随后,通过引入Chaboche模型,建立扩展有限元仿真方法,得到裂尖塑性区尺寸,探究不同载荷因素对塑性区尺寸的影响,并基于试验数据进行方法有效性验证。最后,基于有限元计算结果和Irwin模型,提出一种考虑累积塑性应变的裂尖塑性区尺寸预估模型,并建立基于循环塑性区尺寸的裂纹扩展速率模型。

桥梁工程用钢纤维混凝土裂纹扩展特性试验研究

为验证钢筋混凝土中添加钢纤维后得到的新型材料特性,利用参数已知的混凝土材料浇筑试验构件,完成钢纤维混凝土裂纹扩展特性研究。在浇筑得到的试件上选择若干测量点,安装应变贴片并在选定位置放置激光位移计。在伺服疲劳结构试验机上按照设定的载荷参数依次对混凝土试件进行静力载荷加载试验,获取试件的扰度、裂纹扩展规律并测量构件裂纹数量、宽度和长度。试验结果表明,混凝土构件添加钢纤维后,试件的静力循环次数增加,钢纤维含量为1.5%的构件循环受力次数较0.5%含量至少增加了45.1万次;裂纹数量、宽度以及长度明显减少,即添加了钢纤维后可以有效提升构件的裂纹扩展特性。

钢桥疲劳裂纹扩展行为研究及可靠度更新分析

疲劳断裂失效一直是导致钢结构桥梁发生破坏的重要原因之一。为了更好地利用断裂力学对此失效行为进行研究,开展桥梁钢板件标准疲劳裂纹扩展试验。利用金属磁记忆无损检测技术监测疲劳裂纹扩展行为,分析疲劳裂纹扩展过程中磁信号的变化情况。从理论及试验两方面探讨疲劳裂纹扩展长度磁信号量化方法,确定磁特征参数与裂纹扩展长度之间定量关系式。随后将所提关系应用于疲劳裂纹扩展剩余寿命预测确定性研究,并通过试验结果对其进行验证。最后考虑疲劳裂纹扩展的随机性及损伤信息更新的必要性,进一步开展疲劳可靠度评估研究。研究结果表明:磁信号梯度最大值可以较好地对裂纹扩展长度进行量化表征,剩余寿命预测结果与试验结果误差均在20%以内,基于磁信号的可靠性评估方法可以配合我们更好地制定桥梁维修及养护策略。

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.

基于运营数据的发动机压气机叶片裂纹扩展规律研究

为研究航空发动机实际服役中转子叶片在复杂载荷作用下的裂纹损伤扩展规律,基于航空发动机运营数据构建叶片的裂纹扩展寿命曲线,同时采用断裂力学理论建立裂纹扩展速率公式。以高压压气机叶片为实例,通过流固耦合方法构建压气机叶片结构的载荷模型,分别采用Paris、Walker、Newman裂纹扩展速率公式对压气机叶尖区域进行三维裂纹扩展分析。仿真结果表明,三种裂纹扩展速率公式在裂纹扩展前期预测结果与发动机运营数据裂纹扩展曲线具有一致性,可较好地描述叶片裂纹扩展规律;在裂纹稳定扩展阶段,Walker和Newman公式预测结果相对危险,Paris公式预测结果吻合度较高,并且能与厂家技术手册中关于其损伤发展控制要求相互印证。

全浸腐蚀后焊接接头疲劳裂纹扩展速率分析

服役于海洋环境中的风力发电机,其塔筒上的焊接结构不可避免地要遭受洋流、风浪、工作过程中带来的疲劳载荷及海洋复杂环境引发的腐蚀,往往成为腐蚀疲劳失效中的薄弱环节,因此,研究焊接接头的腐蚀疲劳现象,探索其背后的运作机制具有十分重要的意义.选用S355低合金高强钢作为试验材料,进行S355钢焊接接头在5%NaCl环境中的预腐蚀疲劳裂纹扩展试验.试验结果表明,与未经预腐蚀的试件相比,预腐蚀48 h的试样疲劳裂纹扩展速率并没有明显增加,而预腐蚀336 h的试样疲劳裂纹扩展速率增加显著.利用扫描电子显微镜对预腐蚀后的疲劳试件进行微观表征,观察到在裂纹扩展路径周围存在微裂纹和分支裂纹,表明金属发生了脆化.在预腐蚀疲劳断面上,观察到了裂纹扩展模式的转变,表层金属呈现平面脆性特征,内部金属保留了疲劳韧性特征,微观表征的结果表明,预腐蚀脆化了表层金属,从而加快了试件整体的疲劳裂纹扩展速率.

大厚度铝合金板疲劳裂纹扩展特性研究现状及关键问题探讨

试样厚度增加引发的裂纹扩展“马鞍效应”是厚度与三维裂纹端部应力应变场内在联系的表象反映,在未得出这种内在联系机理与规律的情况下,基于传统模型对大型机械设备中的厚板及变厚度板进行损伤容限评定必然存在很大的风险。以大厚度铝合金板为研究对象,从三维裂纹端部应力应变场与裂纹扩展形貌之间的关系、疲劳裂纹扩展的厚度效应、腐蚀与疲劳共同作用下裂纹扩展机理与模型等三个方面,对裂纹扩展相关问题的研究现状进行了总结分析,对大厚度铝合金板疲劳裂纹扩展特性研究的关键问题进行了探讨。

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.

蒸汽发生器异种钢焊接接头疲劳裂纹扩展研究

钠冷快堆是我国发展第4代先进核能系统的主力堆型,蒸汽发生器是钠冷快堆重要部件.为了保证蒸汽发生器的安全性和可靠性,对异种钢焊接接头进行疲劳裂纹扩展行为研究.异种钢焊接接头共有6个不同微区,分别为F22母材、F22侧热影响区、隔离层、堆焊层、对接焊缝及316H母材.对异种钢焊接接头进行硬度测试、显微组织观察、疲劳裂纹扩展试验,利用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)进行微观组织观察.F22母材组织主要为铁素体、珠光体和贝氏体,F22侧热影响区组织主要为铁素体和珠光体,隔离层、堆焊层、对接焊缝主要组织为奥氏体和δ铁素体,316H母材组织主要为奥氏体.F22母材的显微硬度最小,隔离层显微硬度最大,堆焊层、对接焊缝、316H母材的显微硬度逐渐下降,F22侧热影响区显微硬度变化较大.在低ΔK时,F22母材的疲劳裂纹扩展速率最快,隔离层、堆焊层、对接焊缝、316H母材的疲劳裂纹扩展速率逐渐变缓,随着ΔK的增加,隔离层的疲劳裂纹扩展速率变化最快,这是因为隔离层裂纹逐渐向F22母材侧偏转,使得其抵抗疲劳裂纹扩展能力逐渐降低.δ铁素体会影响隔离层、堆焊层、对接焊缝的抗疲劳裂纹扩展能力.F22母材和F22侧热影响区的疲劳裂纹断口撕裂最严重,隔离层、堆焊层、对接焊缝的断口平坦度逐渐增加,316H母材的疲劳裂纹断口形貌最平坦,与抗疲劳性能相对应.

服役损伤对制动盘疲劳裂纹扩展行为的影响

制动盘是高速列车制动系统的重要元件,其复杂的服役工况会使制动盘出现多种形式的服役损伤,影响制动盘后续的可维修性和服役安全性。选取未服役制动盘和产生翘曲变形且摩擦面出现疲劳裂纹的服役后制动盘为研究对象,通过测试服役前后制动盘材料在不同温度下的拉伸力学性能,构建了受摩擦面深度和温度双参数影响的力学性能衰退模型来表征制动盘的材料损伤。通过构建不同制动工况下制动盘三维瞬态仿真模型,得到了服役后制动盘的结构变形和残余应力状态来表征制动盘的结构损伤。基于Paris理论进行制动盘疲劳裂纹扩展寿命分析,评估了服役损伤对制动盘疲劳裂纹扩展能力的影响。结果表明:长期服役后制动盘本体材料力学性能会发生衰退,从摩擦面表层至心部呈现梯度分布,近表层材料强度下降约20%,制动盘残余应力释放后会使盘体产生碟形翘曲变形。服役后制动盘的力学性能衰退使裂纹前缘的应力强度因子水平显著高于服役前制动盘,摩擦面中部裂纹沿制动盘径向的扩展速率大于沿深度方向,使裂纹深长比不断减小。与服役前制动盘相比,服役后制动盘摩擦面中部裂纹从0.5 mm扩展至70 mm的扩展寿命降低了48%。螺栓孔处疲劳裂纹扩展初期主要沿深度方向扩展,随着裂纹尺寸增加沿制动盘径向与深度扩展速率逐渐一致,服役后制动盘螺栓孔裂纹从0.5 mm扩展至50 mm的扩展寿命与服役前相比降低了29%。本文的研究方法可用于不同损伤程度的制动盘本体性能表征与失效分析,对服役后制动盘的检修维护、保障制动盘的安全运用具有工程参考价值。

不同含水状态砂岩裂纹稳定扩展阶段损伤特征

为深入揭示裂纹稳定扩展阶段的岩石损伤状态,以干燥、自然和饱水状态砂岩为研究对象,采用体积应变法测定起裂应力和损伤应力值,进一步通过增量循环加卸载试验,综合分析了裂纹稳定扩展阶段的残余应变、变形模量和能量演化规律。结果表明:轴向残余应变随轴向应力水平增加而增加,其增幅表现为先减小、后稳定、再增大,且增幅稳定阶段对应于裂纹稳定扩展阶段;在裂纹稳定扩展阶段,加载过程和卸载过程变形模量均呈线性减少趋势,而耗散能密度呈线性增加趋势。上述演化规律适用于不同含水状态砂岩,但其具体数值与含水率有关。对于裂纹稳定扩展阶段,加载过程变形模量可有效表征砂岩损伤状态,基于含水率和轴向应力水平的线性数学模型可用于评价工程岩体的实际损伤状态。

孔挤压强化对GH4169孔结构高温疲劳裂纹扩展行为影响研究

为探究孔挤压强化对镍基高温合金GH4169孔结构疲劳裂纹扩展行为的影响规律,针对孔挤压强化后螺栓孔特征模拟件开展残余应力松弛及疲劳裂纹扩展试验。结果表明,经热松弛稳定后,孔边依旧可以保持至少400 MPa的残余压应力水平,且孔壁表面残余应力松弛幅度高于内部;孔挤压强化后疲劳裂纹扩展速率降低一个数量级,随着相对挤压量增加,疲劳裂纹扩展速率降低幅度增大,疲劳裂纹扩展寿命增幅为4~22倍。结合有限元仿真及断口分析,孔挤压强化对疲劳裂纹扩展的影响机制可归结为松弛至稳定后的残余压应力抵消部分外载应力,导致有效应力强度因子范围减小,使得疲劳裂纹扩展速率降低。基于该机制,利用残余应力修正的Walker模型对疲劳裂纹扩展寿命进行预测,误差在1.8倍分散带以内。

射流参数对双孔液态CO_(2)相变冲击岩石裂纹扩展的影响

液态CO_(2)相变作用时的射流形状与冲击方向影响着破岩效果。基于自行构建的试验系统,结合LS-DYNA数值模拟,研究了双孔液态CO_(2)在不同气流释放方向组合下的岩石裂纹扩展规律。结果表明:双孔X方向相背冲击时,岩石裂纹并不能在两孔之间扩展贯通。双孔X方向相对冲击时,两孔之间形成贯穿裂纹。双孔Y方向同向冲击时,裂纹沿初始冲击方向扩展,并在孔周围扩展形成多条裂纹。数值模拟结果表明:在不同释放口组合冲击作用下,X方向相对冲击时裂纹在两孔之间形成贯穿,初始裂纹继续扩展贯穿至前后侧面。X方向相背冲击下的试样裂隙主要向预留孔四周扩展。Y方向同向冲击下试样内部裂隙沿初始气流冲击方向的反方向扩展,并未形成贯穿裂纹。从裂纹定向扩展效果而言,双孔X方向相对冲击效果最好,Y方向同向冲击次之,X方向相背冲击最差。从顶面主裂纹扩展数量而言,X方向相背冲击最多,Y方向同向冲击次之,X方向相对冲击最少。研究结果可为CO_(2)冲击致裂技术应用提供指导。

残余应力作用下的焊接接头疲劳裂纹扩展与寿命预测

为了探究焊接残余应力对不同初始角度疲劳裂纹扩展的影响,采用热弹塑性有限元方法计算焊接残余应力,结合线弹性力学和Paris公式计算应力强度因子和裂纹深度达到1 mm时的疲劳寿命和裂纹扩展速率。研究结果表明:随着裂纹初始角度增加初始应力强度因子不断减小,裂纹扩展过程中应力强度因子逐渐增大,然后保持稳定;初始角度为90°的裂纹的疲劳寿命最短,同时由于其表面长度较短,难以发现,需要特别警惕;裂纹深度达到临界尺寸时,初始角度为0°的裂纹扩展形态为椭圆形,随着初始角度的增加扩展形态向圆形过度;随着裂纹的扩展,焊接残余应力的影响不断减弱,不同初始角度裂纹的扩展速率的差别不断减小,最终趋于稳定;残余应力与外载荷共同作用会使裂纹扩展速率显著提高;结合计算结果给出了减少焊接残余应力提高疲劳寿命的工程建议,可以对压力容器等焊接结构件的设计提供有益的参考。

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。

变桨轴承用42CrMo钢疲劳裂纹扩展试验及螺栓孔裂纹扩展特性研究

以风电变桨轴承用材料42CrMo钢为基础,从轴承应力集中部位取紧凑拉伸试样(CT试件),在不同载荷和应力比条件下进行CT试件的疲劳裂纹扩展试验,对裂纹扩展过程进行Paris疲劳裂纹扩展模型的数据拟合,由试验数据拟合得到Paris模型参数C和m;利用ABAQUS与FRANC3D软件联合仿真,将试验与仿真得到的不同应力比和不同载荷下的循环次数与裂纹长度进行对比,两者的吻合度较高。通过对风电变桨轴承危险部位进行建模,建立变桨轴承螺栓孔子模型,在危险部位建立初始裂纹进行疲劳裂纹扩展数值模拟,研究不同长深比以及不同角度的疲劳裂纹的扩展规律,结果表明:随着长深比a/b的增大,在裂纹增长同样长度的情况下,所需循环次数减小,初始裂纹形状及角度均对裂纹扩展规律有较大影响。

30mm厚TC4钛合金电子束焊接头的高周疲劳与裂纹扩展速率

文中对比研究了30 mm厚TC4钛合金电子束焊接头和母材的高周疲劳性能,发现接头的高周疲劳性能与母材非常接近。在文中试验条件下,电子束焊接头在循环周次为2×10^(6)时的高周疲劳强度为474 MPa,达到母材的94.2%。观察电子束焊接头和母材的高周疲劳断口形貌,发现接头和母材的疲劳源均位于试样表面。疲劳裂纹扩展区都发现疲劳辉纹,相同载荷条件下,母材高周疲劳断口中辉纹的间距较小,约为1.49μm,电子束焊接头的相邻辉纹间距为2.14μm。在接头和母材的疲劳瞬断裂区还发现大量韧窝,呈现出典型的韧性断裂特征。文中还对比了母材、热影响区和焊缝区的疲劳裂纹扩展速率,发现热影响区的抗疲劳裂纹扩展性能最弱。分析认为,热影响区的高硬度是导致其抗疲劳裂纹扩展性能弱于其他区域的重要原因。

轴压下含裂隙聚丙烯纤维混凝土裂纹扩展及损伤演化研究

为研究聚丙烯纤维(PPF)掺量和预制裂隙角度对混凝土在受压作用下的裂纹扩展、破坏形式的影响,对含不同裂隙角度的素混凝土和聚丙烯纤维混凝土(PFRC)进行了单轴压缩试验,并采用声发射(AE)监测系统对其内部损伤过程进行了采集,分析了试件破坏形态和AE定位图,探究了PPF掺量、预制裂隙角度与应力-应变曲线、AE参数等指标之间的联系。研究表明,随着PPF掺量增加,试件产生裂纹的数量和扩展范围先减小后增大,峰值应力先增大后减小,其破坏形式由拉伸破坏转变为拉剪或剪切破坏,其中PPF的作用机理表现为当其掺量适宜的情况下可在基体内部起到较好的桥接作用,而当过量时则易成团出现,导致内部薄弱面增加,表明PPF对混凝土的增强效果存在正负两种影响;随着预制裂隙角度增大,峰值应力呈先下降后上升的趋势,其中倾斜非水平角度预制裂隙与高掺量PPF之间存在一定的协同效应,并发现几类对试件抗压强度和PPF掺量变化表现敏感的预制裂隙角度;最后分析AE数据发现PPF的掺入使AE定位图的定位点数量变多、分布变杂,AE信号从开始出现至到达峰值的活跃时间随PPF掺量增加而延长,表明PPF对混凝土起到了阻裂增韧的效果。