裂纹扩展试验中Johnson公式适用性研究

为了探讨实际应用中Johnson公式的描述电位差和裂纹长度关系适用性,利用有限元软件研究了有限长中心裂纹试样和紧凑拉伸试样电位场分布随裂纹扩展的变化规律,定量分析了Johnson公式应用时的误差影响因素。结果表明,试样长宽比和电流加载点位置是影响Johnson公式适用性的主要因素。对于紧凑拉伸试样,直接应用Johnson公式误差较大,但利用有限元分析结果修正之后可以得到较好的精度。

双材料CT试样焊缝界面裂纹蠕变断裂参量C^＊的工程估算

针对双材料紧凑拉伸(CT)试样,提出了加权平均蠕变断裂参量C*的概念,即双材料CT试样的C*总是可以由其母材和焊材构成的均质CT试样C*的加权平均计算而得。以此为基础,依据ASTM E1457标准,提出了一个双材料CT试样蠕变断裂参量C*的工程估算式。最后,利用ABAQUS软件,对非匹配CT试样的焊缝界面裂纹蠕变断裂参量进行了有限元分析计算,并通过实例验证了该工程估算方法的适用性。

混凝土紧凑拉伸试样断裂稳定性分析

试样裂纹扩展的稳定性对断裂韧度的测试具有重要影响，尤其是对尺寸较大的混凝土试样。本文根据裂纹扩展稳定性因子，分析紧凑拉伸试样裂纹扩展的稳定性及混凝土试样尺寸大型化对裂纹扩展稳定性的影响。

基于扩展有限元法的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展研究

基于扩展有限元法(XFEM)研究了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展问题.对于裂纹面间的力学行为,用内聚力模型(CZM)进行了描述.推导了引入内聚力模型后扩展有限元法的单元刚度矩阵,研究了加载方向对紧凑拉剪试件复合型裂纹扩展的影响.研究结果表明:加载方向对裂纹起裂角影响较大,试件的最大承载力随着加载角度的增大近似线性增加;同时,在不同加载角度下数值模拟得到的裂纹起裂角和力-开口位移曲线与实验结果相吻合.

CTS试样偏折裂纹应力强度因子研究（英文）

采用CTS试样研究Ⅰ/Ⅱ混合型断裂特性计算裂纹前缘应力强度因子时可采用解析公式,一旦裂纹发生扩展,解析公式便不再适用。文中采用有限元法研究紧凑拉伸剪切(CTS)试样在Ⅰ/Ⅱ平面混合型加载下的裂纹扩展行为。采用ANSYS建立CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型测试系统有限元模型,为模拟真实受力状态,在CTS试样—销—扇型夹具以及扇型夹具—销—U型夹具之间分别建立接触对进行接触力学分析。通过与解析公式结果进行对比验证了该数值方法的可靠性,采用最大环向应力准则(MTS),模拟了CTS试样不同加载角度下的裂纹扩展路径,获得了裂纹扩展路径中应力强度因子随裂纹长度的变化曲线,解释了裂纹扩展路径不与外载荷方向垂直的原因,并给出了CTS试样偏折裂纹应力强度因子解析公式。

MCTS试件的三维有限元计算断裂分析

为了探讨三维复合型断裂问题,采用ANSYS软件对一种带有倾斜裂纹面的修正紧凑拉剪(MCTS)试件进行了三维断裂有限元分析,并应用修正的虚拟裂纹闭合积分方法(MVCCI),对三维裂纹试件的应力强度因子进行了计算.研究结果表明:该MCTS试件在I型I、I型及I+II复合型(加载角为45°)加载条件下均产生了Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ复合型断裂,实验结果与有限元分析的结果吻合.

基于连续—非连续方法的地质体材料变形—拉裂过程模拟——以岩样紧凑拉伸试验为例

地质体材料易发生拉裂,为了有效模拟地质体材料的变形—拉裂过程,自主研发了一种连续—非连续方法。该方法实质是拉格朗日元法与虚拟裂缝模型的耦合,既能较准确模拟应力应变场,又能较准确模拟连续介质向非连续介质转化的复杂过程。以岩样紧凑拉伸试验为例开展变形—拉裂过程研究,得到以下结果。紧凑拉伸岩样的变形—拉裂过程:在岩样的V形缺口尖端附近出现最大主应力集中现象;节点发生分离,虚拟或真实裂缝扩展,最大主应力始终集中于虚拟裂缝的尖端位置;岩样被拉裂成两部分。最大不平衡力发生1次突增对应着1个节点的分离。在峰值之前,岩样的载荷—位移曲线表现出了硬化现象;随着岩样尺寸的增加,应力—应变曲线的峰值有所下降,这与Bazǎnt的尺度律相一致,且峰后应力—应变曲线的陡峭程度增大。目前针对紧凑拉伸试验的模拟结果是合理的,由此在一定程度上说明了提出的连续—非连续方法在连续介质向非连续介质转化模拟方面的突出能力。

沥青混合料低温抗裂性能分析及断裂过程模拟

为了分析沥青混合料材料参数对低温抗裂性能的影响,选取不同混合料类型、沥青种类、老化程度及再生料(RAP)含量为变量,应用圆盘拉伸试验(DCT)进行温度为-12℃下的沥青混合料断裂试验,选取断裂应变容限值为评价指标,研究不同因素对沥青混合料低温性能的影响。采用内聚力模型对DCT试验全过程进行模拟,探究混合料的裂纹扩展及损失规律,并与试验过的结果进行比较。研究表明:RAP掺量及沥青的老化均对沥青混合料的低温性能不利,而混合料的种类对低温性能的影响不明确,但空隙率较大的沥青混合料的试验结果有较大的变异性,使用改性沥青会对低温性能的提升有正面影响。数值模拟分析表明,DCT试验可分为5个阶段,即初始加载、试件损伤、裂缝产生、裂缝扩展、试件完全破裂,且数值模拟结果与试验结果基本吻合,可作为一种分析手段模拟沥青混合料断裂损伤行为,降低试验消耗。

紧凑拉伸试验CTOD双引伸计测试方法研究

以船用A36钢板为试验材料,开展紧凑拉伸试验裂纹尖端张开位移δ(crack tip opening displacement,CTOD)的双引伸计测试方法研究。结果显示,采用双引伸计方法可直接测定旋转因子r及δ,计算得到名义应力σ与裂纹尖端张开位移塑性分量δp(plastic component of CTOD)的相关性曲线。与国标GB/T 21143—2007测试方法相比,双引伸计法对δp的测试精度更高;与EPRI(Electronic Power Research Institute)计算方法相比,双引伸计法对σ—δp关系曲线的确定更为直接可靠。

基于CT模型的钢板裂纹维修效果分析

对Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型疲劳裂纹建立不同修复方法下的有限元分析模型.针对钻孔止裂、裂纹焊合、钢板补强法在不同类型裂纹下的疲劳修复效果进行了系统探究.通过对比裂纹尖端、孔周等关键部位在不同工况下的力学参数,得到了不同维修方法对三种疲劳裂纹的维修结果.研究表明:钻孔止裂可有效缓解三种裂纹尖端应力集中现象,但Ⅰ型裂纹孔外侧一处位置,Ⅱ、Ⅲ型裂纹孔周两处位置会出现新的应力集中区;Ⅱ型裂纹构件钻孔止裂维修后,孔周应力峰值随孔径的增大而降低,降幅逐渐缩小,Ⅲ型裂纹孔周应力峰值随孔径增大而增大,增幅明显.钢板补强和裂纹焊合法效果较好,但焊合后裂纹起始位置的应力梯度较大且焊接于受拉区的焊缝更容易开裂.

镍基高温合金紧凑拉伸试样侧槽优选研究及试验

为了获得平直的紧凑拉伸(Compact Tension,CT)试件裂纹扩展前缘,对带侧槽CT试样的侧槽进行参数化表征,采用有限元方法研究侧槽对裂纹尖端应力强度因子的影响规律,对CT试样的侧槽进行优选。获得了使CT试样裂纹尖端应力强度因子沿厚度方向方差小于0.1(MPa·m1/2)^2的侧槽形状。与标准CT试件裂纹扩展试验对比,结果表明,优选的带侧槽CT试件沿厚度方向裂纹扩展更为均匀,方差为标准CT试件的30%。为了研究电位法经验公式计算带侧槽CT试样裂纹长度的适用性,进行了对比分析。结果表明,对于带侧槽CT试件,利用非线性公式计算的裂纹长度与试验结果误差最小,不超过0.7%。优选侧槽CT试样裂纹扩展更平直;电位法测量带侧槽CT试件裂纹长度,非线性公式计算裂纹长度的误差更小。

混凝土裂缝扩展过程中裂尖张开口位移(CTOD)与裂缝嘴张开口位移(CMOD)的变化关系分析

裂缝尖端张开口位移(CTOD)和裂缝嘴张开口位移(CMOD)是衡量裂缝张开程度的两个指标。该文进行了楔入式紧凑拉伸混凝土断裂试验,研究了在裂缝扩展的整个过程中裂缝尖端张开口位移和裂缝嘴张开口位移之间的关系。发现,裂缝尖端张开口位移和裂缝嘴张开口位移关系曲线可以用三线性模型来描述,两个转折点与裂缝的起裂和临界失稳扩展相对应。讨论了高度对起裂时和失稳时对应的裂缝尖端张开口位移和裂缝嘴张开口位移的影响规律。根据铰链模型,给出了计算裂缝尖端张开口位移(CTOD)的计算公式,与试验结果吻合较好。

混凝土紧凑拉伸试件断裂韧度计算模型

根据混凝土的软化特性,通过紧凑拉伸试件失稳断裂破坏临界状态的力学分析建立了混凝土断裂韧度的解析计算模型。以混凝土的弹性模量和有效裂缝长度尖端的应力为两个基本参数,可推导出紧凑拉伸试件的极限承载力以及临界有效裂缝长度,进而求得混凝土的断裂韧度。通过计算结果与实验数据的比较发现,此模型能较为准确地预测紧凑拉伸试件的承载力以及裂缝张口位移,而且理论上简单实用。在此基础上研究了断裂韧度的尺寸效应,发现在实验室常用尺寸范围内,根据该文所建模型计算得到的断裂韧度不具有尺寸效应,可作为材料常数用于裂缝扩展判定。

基于粒子滤波的疲劳裂纹扩展和剩余寿命预测实验研究

本文对应用粒子滤波在线预测疲劳裂纹扩展和剩余寿命进行了实验研究。根据ASTM标准制作了紧凑拉伸(CT)试件,结合MTS疲劳测试系统进行了Q235钢的疲劳裂纹扩展实验。通过将传统的Paris模型嵌入到贝叶斯状态估计的框架中,采用粒子滤波方法,结合裂纹张开位移(COD)引伸计不断获得的裂纹监测信息,在线预测未来时刻疲劳裂纹扩展情况并更新剩余寿命。实验结果验证了粒子滤波对疲劳裂纹扩展和剩余寿命在线预测的可行性和有效性,表明粒子滤波不仅能进行在线预测,还能给出预测结果的置信区间;随着监测信息的增多,剩余寿命预测结果的不确定性逐渐减小。

CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型断裂特性数值计算研究

采用CTS试样研究Ⅰ/Ⅱ混合型断裂特性计算裂纹前缘应力强度因子时可采用解析公式,一旦裂纹发生扩展,解析公式便不再适用.文中采用有限元法研究紧凑拉伸剪切(CTS)试样在Ⅰ/Ⅱ平面混合型加载下的裂纹扩展行为.采用ANSYS建立CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型测试系统有限元模型,为模拟真实受力状态,在CTS试样-销-扇型夹具以及扇型夹具-销-U型夹具之间分别建立接触对进行接触力学分析.通过与解析公式结果进行对比验证了该数值方法的可靠性.采用最大环向应力准则(MTS),模拟了CTS试样不同加载角度下的裂纹扩展路径,获得了裂纹扩展路径中应力强度因子随裂纹长度的变化曲线,解释了裂纹扩展路径不与外载荷方向垂直的原因.结合文中计算结果,在CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型裂纹扩展速率实验测得裂纹长度与寿命的关系曲线a-N的基础上,便可得到材料Ⅰ/Ⅱ型混合型裂纹扩展速率曲线.

基于断裂韧性预报复合材料层合板的开孔拉伸强度

开孔层合板的强度预报往往取决于孔边的临界长度,它不仅与材料性能,而且与铺层、孔径都有关。本文基于线弹性断裂力学,提出了一种预报对称铺层层合板开孔拉伸强度的新方法,只需提供正交层合板的断裂韧性和无缺口层合板的拉伸强度,显著降低对实验数据的依赖性。首先,将临界长度表作为层合板断裂韧性和无缺口拉伸强度的函数,再通过正交层合板[90/0]_(8s)的紧凑拉伸试验和虚拟裂纹闭合技术,确定出0°层断裂韧性,进而计算得到任意对称铺层层合板的断裂韧性。本文测试了T300/7901层合板[0/±45/90]_(2s)和[0/±30/±60/90]_s的开孔拉伸强度,孔径分别为3mm、6mm和9mm。理论预报结果与试验值吻合较好,最大误差为15.2%,满足工程应用需求。

紧凑拉伸试样应力场仿真与磁记忆效应分析

利用ANSYS有限元仿真,对30CrMnSiNi2A钢二维预制裂纹的紧凑拉伸疲劳试样进行模拟分析。仿真得到了裂纹尖端附近的应力强度因子K和J积分值,及其应力场分布情况。发现两个积分值的曲线能较好地反映材料的受力情况。然后通过疲劳试验,测量了试件相应部位的磁记忆信号,得出的试验结果与仿真分析结论较为符合。有效地证明了磁记忆信号能较好地反映工件的应力分布状态,可为磁记忆检测的实际工程应用提供技术支撑。

含铸造微孔镍基单晶合金蠕变损伤和裂纹萌生的模拟计算

基于镍基单晶合金蠕变变形过程中的细、微观组织结构变化及损伤特点,建立了考虑材质劣化和孔洞损伤的双参数蠕变损伤本构方程。利用所建模型对裂纹前缘含铸造缺陷(孔洞)的镍基单晶合金紧凑拉伸(CT)试样蠕变损伤和裂纹萌生进行了模拟计算,并考虑了晶体取向偏差和随机性的影响。计算结果表明:晶体取向和孔洞位置对试样蠕变损伤和裂纹萌生行为有着显著的影响。当孔洞距切口根部距离较近时,裂纹形核于切口附近的孔洞表面,裂纹形核时间较短;孔洞距切口根部距离较远时,裂纹形核位置位于切口表面,具体位置取决于试样的晶体取向,裂纹形核时间较长。随着加载轴晶体取向偏角的增大,裂纹形核时间明显缩短,其分散性加大,最大有34.7%的变化幅度;试样在2个不受控的晶体取向变化时,在偏角为45°和80°出现极值,裂纹形核时间最大偏差达3倍。