塑性有限元在金属轧制中裂纹演变模拟的研究进展

综述了金属轧制过程中裂纹演变塑性有限元模拟的研究进展。介绍了刚塑性有限元和弹塑性有限元的原理;着重介绍了轧制中轧件边角部裂纹、轧件表面裂纹和轧件内部裂纹的有限元模拟国内外最新理论和应用进展,并总结了国内外的研究特点;最后展望了塑性有限元未来发展趋势。

Mg-8.07Al-0.53Zn-1.36Nd镁合金微观组织及裂纹演变行为

利用XRD、SEM、TEM、EDS等测试方法对Mg-8.07Al-0.53Zn-1.36Nd镁合金微观组织结构进行表征与分析,并采用原位拉伸试验研究了合金显微组织对裂纹萌生及扩展行为的影响。结果表明:试验合金组织中主要包括α-Mg基体,β-Mg_(17)Al_(12),α+β共晶相,Al_(11)Nd_3针状相和Al_2Nd颗粒相。Al_2Nd存在孪晶结构,孪晶面为{11 1},Al_(11)Nd_3存在连续的凹凸界面结构。合金室温原位拉伸试验结果表明:裂纹主要在粗大的β-Mg_(17)Al_(12)相内部萌生,裂纹扩展方式包括沿晶扩展和穿晶扩展。裂纹穿晶扩展主要归因于沿晶界分布的Al_(11)Nd_3、Al_2Nd相与周围组织界面结合能力较强,Al_(11)Nd_3凹凸界面对基体与共晶组织的啮合作用显著。

焊趾多裂纹的试验与仿真分析

焊接接头焊趾部位的疲劳裂纹多呈现为多裂纹形式.针对十字焊接接头,开展变幅载荷谱块下的拉伸疲劳试验,获得了表征裂纹瞬时前沿迹线的海滩条带的演变过程,验证了多裂纹的存在性,并且发现焊接接头焊趾处的多裂纹具有明显的不同步特性.采用有限元仿真技术,在焊趾部位分步插入多个半椭圆形初始裂纹,模拟了多裂纹的演变过程,获得了与试验断口一致的仿真结果.结果表明,裂纹融合导致裂纹前沿形状不断发生变化,最终有向半椭圆形状演变的趋势;焊接结构裂纹萌生和小裂纹扩展阶段在疲劳全过程中的寿命占比较大,具有不可忽略的影响.

玻璃表面应力腐蚀小裂纹生长与聚合

本文研究了水介质中玻璃表面单个小裂纹的生长与多个小裂纹的聚合规律,首次对共面三裂纹聚合及非共面双裂纹演变特征进行了探索。结果表明,小裂纹扩展规律明显不同于长裂纹的扩展;裂纹间的交互作用显著地影响其生长规律;非共面双裂纹的聚合取决于裂纹的几何形状及取向。

焊趾裂纹前沿扩展的动态数值仿真分析

采用半圆形表征焊趾初始表面裂纹,以应力强度因子幅值作为裂纹扩展的驱动力,基于NASGRO裂纹扩展速率模型,考虑应力强度因子幅值门槛值和断裂韧性的影响,研究了整个裂纹前沿的动态演变过程。揭示了复杂焊趾形貌处初始裂纹的位置对裂纹扩展模式的影响规律,得出不同扩展模式下的疲劳寿命分布;分析了裂纹前沿应力强度因子的分布状况以及其在不同方向上的分布特点。开展了十字焊接接头的疲劳对比试验,试验结果与仿真结果具有较好的一致性。

基于毗域动力学的机身蒙皮疲劳裂纹仿真

针对航空机身蒙皮结构疲劳裂纹损伤难以开展完整性评估的问题,研究了一种基于毗域动力学的裂纹演化模型,通过构建材料点对间的力函数,建立机身蒙皮结构疲劳裂纹演化的积分方程,给出二维机身蒙皮结构在载荷作用下的孔边疲劳裂纹扩展的计算格式,并结合层流理论对模型方程进行了修正。仿真结果表明,上述方法可以表征裂纹间的干涉效应,实现机身蒙皮结构疲劳裂纹的自发萌生及扩展过程。与扩展有限元方法相比,该方法避免了裂纹尖端的奇异性,在处理此类非局部问题上具有一定优越性。

活性粉末混凝土的疲劳性能试验研究

通过等幅单向压缩荷载作用下的活性粉末混凝土疲劳试验,研究活性粉末混凝土的疲劳特性。研究表明:循环荷载作用下,活性粉末混凝土的疲劳破坏表现为形成单一临界疲劳主裂纹的破坏形态;活性粉末混凝土的宏观疲劳损伤过程按宏观疲劳裂纹演变模式分为裂纹潜伏、裂纹稳定扩展和失稳破坏3个阶段,且各阶段分别占疲劳总寿命的15%,75%和10%,相应的纵向变形发展也呈此3阶段规律;活性粉末混凝土的疲劳寿命服从两参数Weibull分布,疲劳极限强度可取为其静极限轴心抗压强度的57%;活性粉末混凝土疲劳变形模量的衰减可分为平稳缓慢衰减和急剧不稳定衰减2个阶段,其比例分别为90%和10%;疲劳变形模量的极限值可以取作初始变形模量的0.5倍。

纳米改性再生骨料混凝土破坏机理研究

对再生骨料混凝土(RAC)进行了裂纹演变规律和不同掺量的纳米硅溶胶、纳米碳酸钙改性试验研究.采用高速摄像仪实时观测了不同水灰比(mW/mC=0.4,0.5和0.6)和不同再生骨料替代率下再生骨料混凝土试块单轴受压加载过程中的裂纹开展信息,对不同纳米材料改性的RAC进行了扫描电镜和压汞测试,并对其界面过渡区的微观形貌和孔结构进行了对比分析.结果表明:RAC的受压破坏大多为新老界面过渡区破坏,裂纹往往最先由此处开展,具体开裂位置取决于新老砂浆的相对强度;裂纹围绕再生骨料周边逐步向四周扩展和贯通,最终导致试块纵向劈裂破坏;纳米硅溶胶能够很好地改善RAC界面过渡区微观结构,提高RAC抗压强度,而纳米碳酸钙难以进入RAC的界面过渡区,很难有效改善界面孔结构,因此未能明显提高RAC抗压强度.

热障涂层失效的声发射实时表征技术研究进展

耐高温、高隔热的热障涂层能有效降低涡轮叶片金属基底工作温度,从而提高发动机的热效率与性能,被列为航空发动机的关键热防护技术。然而,在燃气热冲击、冲蚀、腐蚀等恶劣环境中服役时,热障涂层极易产生涂层裂纹、界面裂纹、变形等多种损伤,并最终以涂层剥落的形式失效。采用声发射技术实时无损检测服役环境下热障涂层裂纹萌生与演化的过程,是表征涂层失效过程、揭示其机理进而预测最终剥落的有效手段。阐述了热障涂层裂纹演化的高温声发射检测方法,并着重从损伤模式、定量评估方法及基于此的热障涂层失效机理等研究方面,介绍了热障涂层失效的声发射实时表征技术的研究进展,并对其发展趋势进行了展望。

内燃机用激光增材制造Ti600合金原位拉伸组织演变分析

为了提高内燃机用激光增材制造Ti600合金的综合性能,对其进行原位拉伸力学测试,对微裂纹生成、扩展与断裂进行更加精确地观察,并分析不同原位拉伸位移下的微观组织及裂纹演变机制。研究结果表明:激光增材制造Ti600合金形成了具有粗大尺寸的柱状β晶,其生长方向与构造堆积方向一致;β晶界呈现出垂直生长的状态,在靠近β晶的区域形成了大量的板条型α晶以及生长方向一致的α簇组织;当原位拉伸位移增加后,裂纹沿着β晶界向上延伸,形成了偏向β晶界的裂纹;当位移量提高后,合金中形成了随机排列的晶粒,同时滑移方向也存在明显差异,导致交叉滑移带的形成。该研究对优化工艺方法及提升激光增材制造Ti600合金性能具有一定的参考价值。

岩石热损伤破裂的数值模拟研究

基于颗粒流离散元程序PFC2D建立热力耦合数学模型,针对温度作用下花岗岩的破坏裂纹扩展演化规律展开模拟研究。数值模型计算结果表明:热冲击下数值模型的裂纹均从四周开始向内部延伸,并在边界处产生相对较密的裂纹;升温与降温均会对岩石造成一定的热损伤,升、降温过程中裂纹均率先出现在热膨胀系数较大的颗粒之间,400℃为该岩种的起裂温度;升降温过程分别产生的主要裂纹的力学属性不同;降温导致岩石宏观力学特性小幅增强后大幅劣化,力学性质衰减42%。计算结果与试验现象保持较好的一致性。