钢桥面板对接焊缝表面多缺陷疲劳效应研究

为探明钢桥面板对接焊缝焊趾区域共面及异面表面多缺陷在裂纹扩展过程中的形态变化及相互作用机制,以钢桥面板U肋下翼缘对接焊缝简化后的基本焊接构造为研究对象,探明对接焊缝焊接区域的应力强度因子KI分布,并在验证ABAQUS与FRANC3D数值模拟方法可靠性的基础上,对焊趾区域植入的共面或异面多裂纹进行多裂纹扩展分析。研究结果表明:含余高对接焊缝在轴拉荷载作用下,焊趾线附近存在应力强度因子KI的峰值点;相邻共面裂纹在扩展至临界深度的过程中存在裂纹融合前、裂纹融合时及裂纹融合后3个典型的扩展阶段,不同阶段裂纹前沿形态及扩展速率da/dN变化可通过等效应力强度因子幅值ΔK_(eff)的分布来体现;共面裂纹融合前,单裂纹靠近另一裂纹长轴端点的裂纹相互作用比例因子随净间距s1与裂纹深度a比值呈幂次负相关性;对接焊缝异面裂纹中焊趾处裂纹对热影响区裂纹存在抑制作用,并随着裂纹尺寸差异的累计增加,焊趾处裂纹对热影响区的抑制作用呈线性扩大,最终使得热影响区裂纹ΔK_(eff)低于门槛值ΔKth而失去活性停止扩展,上述抑制作用随异面净间距s2的增加而减弱。

矩形钢管K型节点复合型应力强度因子计算方法研究

相比圆形钢管桁架,矩形钢管桁架在施工方面具有一定的技术经济优势,并已广泛应用于桥梁工程中,鉴于断裂力学法评估该类结构疲劳性能的需要,该文探讨矩形钢管K型节点在支管拉压平衡荷载作用下的应力强度因子计算方法。提出带表面裂纹矩形钢管K型节点有限元建模方法,并与试验进行验证;通过参数分析,研究节点和裂纹几何参数对节点几何修正系数Y的影响;多元回归分析拟合得到矩形钢管K型节点应力强度因子计算公式及其修正后的设计计算公式,并通过算例分析给出基于断裂力学的钢管节点剩余疲劳寿命评估方法。结果表明:有限元结果与试验结果比值均值为1.012,变异系数为0.034,两者最大差值仅为5.5%,表明有限元计算结果可靠;节点几何参数2γ、τ与Y呈正相关,θ与Y呈负相关,其原因主要在于节点相贯线处刚度和受拉荷载变化,改变了裂纹尖端应力场,从而影响了裂纹扩展速率,裂纹几何参数c/a与Y呈正相关,但影响不明显,a/t0与Y呈负相关;提出的应力强度因子计算公式与有限元计算结果吻合良好,且修正后用于设计的计算公式具有95%的可靠度;圆形钢管节点应力强度因子高于矩形钢管节点,平均提高24.9%,说明在相同荷载工况下,圆形钢管节点裂纹扩展速率更快,算例分析也进一步验证该结论,圆形钢管节点剩余疲劳寿命为2.1×105次,低于矩形钢管节点的剩余疲劳寿命2.3×105次。

次表面分岔裂纹的力学行为

在复杂荷载作用下,利用分布位错技术(DDT)对半无限大平面内的分岔裂纹问题进行研究,并进行了正确性验证.根据等效应力强度因子判据,初步解释了裂纹产生分岔的原因;研究了不同埋深、荷载比值、分支长度比值、分岔角度情况下的分岔裂纹尖端的应力强度因子;同时,研究了多分支分岔裂纹,计算结果与有限元结果吻合.结果显示:埋深越深,分岔裂纹扩展越困难,当埋深为d/a=1.5时,分支裂尖应力强度因子削弱程度可达15%左右;较长分支会极大地抑制短分支的扩展,当两分支裂纹长度比达到b/c=2以上时,屏蔽效应可达50%以上;另外,分岔角度和荷载比值会改变分岔裂纹主导的扩展模式.

损伤钻杆断裂的有限元仿真分析

钻杆在作业过程中,需要通过卡瓦夹持,才能顺利作业,但卡瓦在钻杆表面会留下作业损伤。为了防止损伤导致的钻杆断裂,影响结构安全性,以某深井作业钻杆实际工况为例,创建含横向半椭圆形表面裂纹的钻杆有限元模型,数值研究拉扭复合载荷下,3种类型的形状因子沿裂纹前缘的变化规律;通过多项式拟合得到形状因子表达式中对应的系数,进而推导出等效应力强度因子的表达式。仿真计算结果表明,在(0.6~0.8)之间存在一临界形状比,裂纹最深点和边界相邻点处的等效应力强度因子值在此处相等。拟合得到的等效应力强度因子表达式,为进一步研究损伤钻杆表面裂纹扩展和寿命预测提供参考。

基于应力梯度的Ⅰ型中心裂纹应力强度因子修正方法分析

基于无限大板Ⅰ型中心裂纹尖端附近非均匀应力分布规律,提出一种考虑应力梯度影响的应力强度因子计算方法。首先,利用校正的Westergaard应力函数求解单向拉伸Ⅰ型裂纹尖端附近应力场,分析其对裂纹扩展的作用,采用应力与距离分离形式,更加凸显因距离r值的大小而引起应力发生变化的本质原因;其次,提出应力系数函数用以表征应力场的变化,考虑当相对应力系数梯度函数值变化1%时,应力梯度变化对裂纹的扩展无影响,并定义为特征距离r eff,以此范围内平均应力去修正应力强度因子K;最后,以20Cr钢为研究对象验证本文方法的正确性和可行性,结果表明:本文计算方法得到的应力强度因子为经典断裂学方法的1.22倍,主要原因是考虑了应力梯度的影响,裂纹尖端附近实际承受的应力增大,应力强度因子增大。

压力容器含裂纹接管过渡区有限元分析及优化

针对压力容器服役过程中因应力集中而形成裂纹的问题,运用有限元软件仿真计算压力容器接管过渡区裂纹尖端应力强度因子和最大等效应力。通过改变接管尺寸、焊接不同厚度补强圈或翅片,比较其对Ⅰ型应力强度因子KI及最大等效应力的影响。结果表明,增大接管壁厚和内、外过渡圆角直径,减小接管开孔尺寸,焊接补强圈或翅片均可一定程度上减小KI及最大等效应力;增大内过渡圆角直径的效果较增大外过渡圆角直径的效果更好;补强圈与筒体厚度比存在最佳值,厚度比为0.35时KI及最大等效应力最小;焊接翅片可有效降低KI及最大等效应力。

Calculation of stress intensity factor in two-dimensional cracks by strain energy density factor procedure

In order to calculate the stress intensity factor(SIF) of crack tips in two-dimensional cracks from the viewpoint of strain energy density, a procedure to use the strain energy density factor to calculate the SIF is proposed. In this paper, the procedure is presented to calculate the SIF of crack tips in mode I cracks, mode II cracks and I+II mixed mode cracks. Meanwhile, the results are compared to those calculated by traditional approaches or other approaches based on strain energy density and verified by theoretical solutions. Furthermore, the effect of mesh density near the crack tip is discussed, and the proper location where the strain energy density factor is calculated is also studied. The results show that the SIF calculated by this procedure is close to not only those calculated by other approaches but also the theoretical solutions, thus it is capable of achieving accurate results.Besides, the mesh density around the crack tip should meet such requirements that, in the circular area created, the first layer of singular elements should have a radius about 0.05 mm and each element has a circumferential directional meshing angle to be15°–20°. Furthermore, for a single element around the crack tip, the strain energy density factor is suggested to be calculated in the location where half of the sector element's radius from the crack tip.

双相钢搭接点焊接头疲劳寿命分析

研究了双相钢焊点特征,对不同匹配双相钢搭接焊点进行了疲劳试验,获得了焊点的载荷寿命曲线。研究了双相钢焊点的疲劳裂纹扩展及失效形式,分析和解释了疲劳过程中的现象,并根据裂纹的实际扩展路径,提出了局部等效张开应力强度因子keq,从断裂力学的角度对双相钢焊点的疲劳失效进行了分析。结果表明,keq能够有效地关联具有不同厚度,不同熔核直径的搭接焊点试样的疲劳寿命,是反映双相钢焊点疲劳强度的有效参量,能够用来预测焊点疲劳寿命。

300M钢应力强度因子厚度效应的有限元分析

基于Ansys软件建立了300M钢不同厚度M(T)试样的三维应力强度因子计算模型,比较了不同厚度下应力强度因子的数值解。将不同厚度下应力强度因子的数值解与解析解通过Paris公式拟合得到相应的a-N曲线并与实验数据进行对比,结果表明:应力强度因子有限元数值解具有厚度效应,对于不同厚度下的解析解有一定的修正作用。

碾压混凝土拱坝诱导缝开裂试验研究

通过多组由深埋椭圆裂缝、深埋矩形裂缝和穿透裂缝3种型式形成不同削弱度的碾压混凝土试件轴拉试验,研究了试件的应力强度因子,分析了不同裂缝的应力强度因子计算公式。由于试件的断裂韧度与裂缝形式无关,假设深埋矩形预留缝试件的应力强度因子可以由深埋椭圆预留缝或穿透预留缝试件的应力强度因子通过修正求得,建立了矩形预留缝试件应力强度因子的近似解析表达式。考虑了尺寸效应后,求得碾压混凝土材料的断裂韧度。根据碾压混凝土拱坝诱导缝的构造特点,并考虑了相邻缝的影响计算出诱导缝开裂的等效强度。这一结果应用于沙牌碾压混凝土拱坝开裂计算的三维非线性应力场仿真计算中。

非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型

非贯通节理岩体是同时含有节理、裂隙等宏观缺陷及微裂隙、微孔洞等细观缺陷的复合损伤地质材料,基于此提出了在非贯通节理岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏、细观缺陷的观点。首先对基于细观动态断裂机理的经典动态损伤本构模型——TCK模型进行了阐述,其次针对目前节理岩体损伤变量定义中仅考虑节理几何参数而未考虑其强度参数的不足,基于能量原理和断裂力学理论推导得出了同时考虑节理几何及强度参数的宏观损伤变量(张量)的计算公式;第三,基于Lemaitre等效应变假设推导了综合考虑宏、细观缺陷的复合损伤变量(张量);第四,借鉴前人基于复合材料力学的观点,考虑了节理法向及切向刚度等变形参数对岩体动态力学特性的影响,进而建立了基于TCK模型的非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型。并利用该模型讨论了载荷应变率、节理内摩擦角、节理厚度、节理法向及切向刚度和节理倾角等对岩体动态力学特性的影响规律。计算结果与目前的理论及试验研究结果比较吻合,从而说明了该模型的合理性。

焊接接头疲劳评定的等效应力强度因子法

等效应力强度因子 (equivalentstressintensityfactor,简称E SIF)法是近年来提出的一种新的疲劳评定方法 ,文中采用 16Mn钢的非承载角焊缝十字接头的疲劳试验结果对E SIF法的有效性进行研究 ,并分析讨论影响这种方法的有关因素。结果表明 ,采用等效应力强度因子法能对 16Mn钢非承载角焊缝十字接头的疲劳性能作出合理的评定 ,并能预测焊接接头的疲劳断裂位置 ,且该方法适合于焊态接头和较小焊趾半径的疲劳评定。等效应力强度因子法对应力集中区单元尺寸有一定的依赖性 ,对实际焊接接头的焊趾半径变化范围 (在 0 .15mm～ 0 .8mm内 ) ,选择焊趾半径与最小单元尺寸的比值 ρ/emin>1.7时 ,可以获得合理有效的等效应力强度因子ΔKⅠ 值计算结果 ;当焊接接头的焊趾半径较小 ( 0 .15mm～ 0 .40mm)时 。

激光预制裂纹槽的断裂分析

进行了单边激光加工裂纹槽试样轴向拉伸试验。试样取自用高碳微合金非调质钢(C70S6)锻造的连杆。分析了激光预制裂纹槽对材料断裂的影响,并与线切割和拉削加工裂纹槽拉伸断裂试样进行了断口分析和断裂载荷的对比。结果表明:采用激光预制裂纹槽试样的断口具有最小的裂尖塑性变形区域,与有相同裂纹槽深度的线切割和拉削加工裂纹槽试样相比,其拉伸断裂载荷分别小20%和30%左右。在试验结果基础上确定了激光加工裂纹槽的等效临界应力强度因子为25.51 MPa.m1/2。本文结果可用于激光预制裂纹槽的连杆裂解载荷参数计算。

一种基于平均应力强度因子的焊点疲劳寿命预测方法

传统的焊点疲劳仿真分析方法主要有基于力的LBF方法和基于应力的LMS方法,针对这两种方法所存在的预测精度不高、建模和计算效率偏低等问题,提出一种新的焊点疲劳寿命预测方法,该方法从断裂力学的角度考虑焊点的疲劳失效,采用一种模块化焊点模型,通过有限元提取焊点周围各节点的节点力和力矩,进而推算出焊点裂纹在板厚扩展路径上的平均应力强度因子作为疲劳寿命的评价参量。通过对HSLA340GI和DP600GI两种高强钢材料、4种不同厚度的电阻点焊接头进行剪切疲劳试验,将该平均应力强度因子与试验所得的焊点疲劳寿命数据进行双对数回归分析,得到一条平均应力强度因子与疲劳寿命的拟合曲线作为焊点的疲劳寿命预测曲线,并与传统的LBF和LMS方法进行预测精度的对比分析,结果表明本文的焊点疲劳寿命预测方法的预测精度高于传统的LBF和LMS方法。

一种新的确定应力强度因子的数值方法

应力强度因子是一个非常重要的参数,可以用来估算裂纹和切口的断裂.这篇论文提供了一种基于包含应力集中区域一定体积上的平均应变能密度,来确定应力强度因子的数值方法.对于I型或是II型裂纹的单一加载方式,应力强度因子都可以直接从一定体积上的平均应变能密度的表达式求得其解,但是对于I-II复合型裂纹,情况相对复杂.因此,作者们提出了利用围绕切口尖端一定体积上几组不同关于裂纹切口平分线对称区域上的平均应变能密度,来拟合复合加载下I型和II型应力强度因子的数值方法.为了验证,计算了I-II复合型裂纹的半圆形三点弯曲试样应力强度因子,并与文献中给出的应力强度因子进行了比较.结果表明,提出的数值方法可靠,为平均应变能密度准则的工程应用提供了一种新的思路.

共线多孔边对称裂纹板的应力强度因子计算

阐明了复变应力函数方法及其近似迭加法的基本原理,并将其应用于无限板共线多裂纹应力强度因子的求解上,结合局部修正因子法得到共线多孔边对称裂纹板的应力强度因子,并利用此种方法计算了无限板共线双孔、三孔和四孔对称裂纹情况的数值算例。将计算结果与有限元结果比较可知,该计算结果精确、可靠,而且计算过程相对简单,易操作。因此,该解析方法能很好的解决无限板上对称分布与非对称分布的共线多孔对称裂纹问题,值得在工程断裂问题中得到推广。

一种沥青混凝土中低温断裂性能统一评价方法

为了采用统一的参数评价沥青混凝土在中低温条件下的断裂韧性,使用一种基于能量法的等效应力强度因子(K_(IC)^(*))来评价沥青混凝土在中低温条件下的抗断裂能力。采用开口半圆断裂试验(SCB)测试3种不同再生沥青骨料(RAP)掺量(0,25%和50%)的沥青混合料在-10℃的应力强度因子(KIC)和断裂能(G_(F))以及25℃积分的J积分和等效应力强度因子(K_(IC)^(*))。研究结果表明:-10℃时,掺质量分数为25%的RAP的沥青混凝土应力强度因子达到最大,但断裂能随着RAP掺量的增加逐渐降低;25℃时,随着RAP掺量增加,J积分显著增大,添加RAP可以在一定程度上提高沥青混凝土的中温断裂性能;25℃时,K_(IC)^(*)随着RAP掺量增加而逐渐增大,说明等效应力强度因子判据可以用于评价沥青混凝土的中温断裂韧性。

含裂纹的曲轴-轴承系统动力学、摩擦学和断裂力学耦合分析

以动力学分析软件ADAMS和有限元分析软件ANSSYS为工具,与自编润滑分析程序相结合,研究具有裂纹的曲轴-轴承系统动力学、摩擦学和断裂力学耦合问题。裂纹扩展深度是曲轴动力学响应的慢变参数,采用插值法对耦合问题进行解耦,并提出了"等效直径法"建立具有裂纹的弹性曲轴有限元模型,从而解决利用ADAMS软件求解具有裂纹的弹性曲轴-轴承系统动力学和摩擦学耦合问题。研究结果表明:随着裂纹深度的增加,裂纹附近主轴承的最大油膜压力和最小油膜厚度减小,轴颈中心径向振动响应振幅增大,曲轴裂纹的等效应力强度因子最大值也随之增大。

基于最大张口位移计算多条共线裂纹应力强度因子的方法研究

提出一种多裂纹应力强度因子计算的新方法。该方法是利用裂纹的最大张口位移量来确定多裂纹尖端的应力强度因子。首先基于单条穿透裂纹的张口位移与应力强度因子的解析解,推导出二者之间的对应解析关系,然后通过考虑双条共线穿透裂纹的板宽效应、裂纹间距比和裂纹长度比的影响,拟合出各种修正系数的变化曲线,进而确定双裂纹情况下裂纹尖端应力强度因子与裂纹最大张口位移之间的函数关系,最后利用复合法的思想,确定多裂纹与双裂纹修正系数之间的对应关系,进一步确定多裂纹的应力强度因子的计算方法。

碾压混凝土拱坝诱导缝开裂的等效应力准则研究

通过多组不同削弱度的深埋椭圆裂缝、深埋矩形裂缝、穿透裂缝三种形式的碾压混凝土试件单轴拉伸试验结果,建立深埋矩形裂缝碾压混凝土试件的应力强度因子的近似解析表达式,考虑尺寸效应得到碾压混凝土材料的断裂韧度。根据碾压混凝土拱坝诱导缝构造特点,分别将矩形诱导缝简化为修正穿透裂缝模型和修正深埋椭圆裂缝模型,假定为I型开裂,考虑相邻裂缝的影响,采用虚拟裂缝模型和线弹性断裂力学相结合的方法建立裂缝失稳扩展时的亚临界扩展量和等效断裂韧度的解析表达式,应用双K断裂准则,建立碾压混凝土拱坝诱导缝开裂的等效应力准则。并将此结果应用到三维非线性应力场仿真计算中,对沙牌碾压混凝土拱坝进行非线性开裂计算分析。