三维计算断裂力学

断裂力学理论从1921年Griffith研究玻璃的脆性断裂问题开始,经历了从线弹性体系到弹塑性以及蠕变理论体系、从单参数到多参数体系和从理想的二维平面理论到实际三维含裂纹结构的三维断裂理论的发展历程。针对应力强度因子K和J积分以及C(t)积分的计算方法从理想化模型的理论计算发展到实际复杂工程结构裂纹体计算的各种商业软件平台以及专业的断裂理论分析平台。尤其是随着计算机技术的发展,对三维含裂结构的静态和扩展裂纹的计算模拟已经能够融入计算机辅助设计。结合本研究组近30年来在三维疲劳断裂理论和应用研究方面的体会,简述了三维计算断裂力学从裂纹体应力应变分析和断裂参数计算到三维蠕变断裂和疲劳裂纹扩展模拟的国内外进展,并对涉及的计算方法,包括原子尺度和跨尺度的计算模拟,以及目前面临的挑战性问题作了简要介绍和分析。

高温部件蠕变-疲劳裂纹扩展行为表征

能源发展新形势下深度调峰将成为在役和新建火电机组的运行新常态,深度调峰引起的交变热应力和机械应力使得火电机组高温部件承受蠕变和疲劳交互环境作用。蠕变-疲劳裂纹扩展性能主要受保载时间/频率、载荷水平、温度、微观组织、环境(氧化、蒸汽)的影响,其并非单纯的有利或有害于裂纹扩展性能,而是受到其他因素的影响;裂纹扩展机制有穿晶扩展、沿晶扩展和混合扩展,裂纹扩展的变化是蠕变损伤和疲劳损伤相互竞争的结果。蠕变-疲劳下由疲劳导致的裂纹扩展主要由△K来表征;而蠕变裂纹扩展行为主要用△K、C*和(Ct)avg来表征,其中△K更适用于蠕变脆性材料,而C*和(Ct)avg能实现不同保载时间、不同温度和不同合金的蠕变裂纹扩展行为表征.蠕变-疲劳裂纹扩展还会受到蠕变与疲劳之间交互作用的影响,通常是引入裂纹扩展速率加速第三项或者考虑蠕变-疲劳非线性交互损伤来实现蠕变-疲劳交互下寿命的精准预测。

基于断裂力学方法的冷再生基层材料疲劳寿命研究

利用断裂力学方法对冷再生基层材料的疲劳裂纹扩展进行分析,选择合适的断裂力学公式及参数,进而推导出疲劳寿命预估方程,分析方程中参数的取值并给出算例通过算例得到的结果对影响疲劳寿命的因素进行分析,并与通过试验得到的数据进行对比结果表明,用断裂力学方法预测含裂缝冷再生基层材料的疲劳寿命更合理。

GH2132合金疲劳性能实验研究

研究了GH2 1 32在不同温度、不同应力集中系数、不同应力水平条件下的高低周疲劳性能和断裂行为 .不同实验条件下 ,影响疲劳性能的主要参量不同 .在分析各个参量对于疲劳性能影响的基础上 ,进一步分析了各个参量对疲劳性能的交互影响 .并结合宏微观断口形貌观察 。

QT400-18疲劳裂纹扩展寿命可靠性分析

采用概率断裂力学方法研究了船用柴油机机身球墨铸铁材料(QT400-18)的裂纹扩展寿命可靠性。基于QT400-18的裂纹扩展试验,考虑了裂纹扩展速率的分散性,采用统计分析获得了Paris公式参数的分布特征,建立了QT400-18裂纹扩展速率的随机概率模型。反推得到了da/d N≤10-7mm/cycle时材料的疲劳启裂门槛值。进一步建立了剩余寿命预测模型,通过数值抽样仿真,得到了不同初始裂纹长度下的裂纹扩展剩余寿命及其分布,并建立了剩余寿命与可靠度关系图谱。

基于PFM理论的提速客车车轴可靠性分析

通过对机车车辆全程实测的应力数据进行拟合处理得到应力谱,采用概率断裂力学基本方法,运用应力—强度干涉模型计算出在所要求可靠度指标下裂纹尺寸与疲劳寿命间的曲线关系,并计算分析了裂纹在不同初始条件下的扩展变化规律。

钢-UHPC组合结构的栓钉连接件疲劳性能分析

为探究钢-UHPC组合结构中栓钉连接件的疲劳性能,基于SWT方法与断裂力学理论,建立了考虑栓钉焊接细节的1/4推出试验有限元模型,以研究钢-UHPC组合结构中短栓钉的疲劳寿命预测方法。通过定义材料非线性特性研究栓钉的荷载-滑移曲线与应力分布规律,得出栓钉焊接细节的最不利位置,及其临界平面,由此计算其裂纹萌生寿命,以及稳步扩展疲劳裂纹寿命,对栓钉疲劳性能进行评估,最后提出了基于有限元计算得出的栓钉疲劳寿命预测公式。结果表明:通过建立栓钉焊趾细节能够较好地模拟UHPC中短栓钉的荷载-滑移特性,方法和所提出的疲劳寿命预测公式能较好地预测栓钉的疲劳寿命,疲劳应力幅值对栓钉的损伤参数影响较大,疲劳裂纹萌生寿命所占比例最大可达90%以上,研究内容可为钢-UHPC组合结构中栓钉的疲劳性能评估提供参考。

总应变寿命方程中疲劳参数的确定和寿命预测

总结分析了多种寿命预测方法,给出了总应变寿命方程的4个材料参数:疲劳强度系数、疲劳延性系数、疲劳强度指数和疲劳延性指数的表达形式,从而提出了一种新的具有很好物理意义、工程意义和普适性的总应变寿命方程,并以6种典型的航空材料光滑试样(TC4(室温)、TC11(室温)、TC11(500℃)、GH901(300℃)、GH901(500℃)和GH4133B(600℃))的对称循环疲劳数据进行验证,获得了很好的疲劳寿命预测结果,其寿命预测结果大都在2倍分散带以内。对比分析了多种寿命预测方法所确定的4个疲劳参数,并且分析了5种断裂真应力表达形式所确定的疲劳强度系数,发现所提出确定断裂真应力的方法获得了较好的精度,与试验值相比,不超过其误差的15%,并且准确确定断裂真应力将会显著提高对中高寿命段的寿命预测精度。