DETERMINATION OF CRACK SURFACE DISPLACEMENTS FOR A RADIAL CRACK EMANATING FROM A SEMI-CIRCULAR NOTCH USING WEIGHT FUNCTION METHOD

A radial crack emanating from a semi-circular notch is of significant engineering importance. Accurate determination of key fracture mechanics parameters is essential for damage tolerance design and fatigue crack growth life predictions. The purpose of this paper is to provide an efficient and accurate closed-form weight function approach to the calculation of crack surface displacements for a radial crack emanating from a semi-circular notch in a semi-infinite plate. Results are presented for two load conditions： remote applied stress and uniform stress segment applied to crack surfaces. Based on a correction of stress intensity factor ratio, highly accurate analytical equations of crack surface displacements under the two load conditions are developed by fitting the data obtained with the weight function method. It is demonstrated that the Wu- Carlsson closed-form weight functions are very efficient, accurate and easy-to-use for calculating crack surface displacements for arbitrary load conditions. The method will facilitate fatigue crack closure and other fracture mechanics analyses where accurate crack surface displacements are required.

连续刚构桥箱梁底板预应力钢束张拉径向力研究

为了研究连续刚构桥底板预应力钢束张拉径向力的大小,在经典径向力计算公式的基础上,考虑底板预应力钢束的布束范围以及实际桥梁尺寸,对不同跨径范围内的5座桥梁进行径向力参数敏感性分析。研究发现,无论何跨径,当底板曲线抛物线指数从1.5、1.8到2.0变化时,径向力变化均有较大差别;其次,考虑定位误差以及“以直代曲”的施工方法对径向力的影响,修正了经典径向力计算公式。研究结果表明,不同跨径下径向力增大系数不同,径向力的大小与施工段长度的划分成反比,防崩钢筋应分区域差异设置。相关研究可较为准确地计算径向力的大小,能为下一步的连续刚构设计工作提供参考。

混合路面重载工况下使用的11.00R20载重子午线轮胎肩空问题的解决

针对11.00R20载重子午线轮胎在混合路面重载工况下出现的肩空问题建立系统分析模型,通过优化施工设计和调整材料分布来改进轮胎结构。通过模型、有限元分析、室内试验及实际使用来验证改进方向的有效性,即采取减小胎面胶厚度、胎肩垫胶厚度和胎侧厚度,优化三角胶过渡,胎体选用3+9+15×0.225ST钢丝帘线,胎圈部位调整为1层锦纶加强层设计等措施,使轮胎胎圈耐久性能显著提高,轮胎肩空问题有效解决。提出轮胎在结构改进过程中需建立系统性思维,针对失效部位改进的同时进行系统性调整,这对材料的使用寿命和最大化利用具有正向影响。

动静荷载作用下岩石裂纹扩展应力阈值识别

压缩荷载作用下岩石裂纹扩展应力阈值的识别是理解岩石渐进破坏过程和分析岩石宏观破坏机制的重要基础。对大理岩、粗花岗岩和细花岗岩开展了单轴压缩和动态冲击试验,引入岩石裂纹轴向应变和裂纹径向面积应变两个参数,根据岩石单轴压缩破坏时裂纹径向面积应变曲线斜率的不同,把以上三种岩石分成类型Ⅰ(大理岩)和类型Ⅱ(粗花岗岩和细花岗岩)岩石。研究表明,对于类型Ⅰ和类型Ⅱ岩石,分别利用其裂纹轴向应变和裂纹轴向应变刚度曲线特征点能准确识别出岩石在静态压缩荷载下裂纹稳定扩展应力σ_(sd)、裂纹不稳定扩展应力σusd以及裂纹相互贯通应力σct,证明了仅利用轴向应变数据就可对类型Ⅰ和类型Ⅱ岩石静荷载下应力阈值进行识别。而后将裂纹轴向应变法推广至动态冲击荷载下岩石的应力阈值识别,解决了动态冲击压缩载荷作用下试样难以进行裂纹扩展应力阈值识别的问题。与静态荷载下岩石的裂纹扩展应力阈值不同,在动态冲击荷载下,岩石裂纹稳定扩展应力与峰值强度的比值有所减小,裂纹不稳定扩展应力和裂纹相互贯通应力阈值相等,且与峰值强度的比值也有所减小,岩石产生更多的贯通裂纹,试样破坏时破碎程度更高。

破冰船首部与侧部接触加载工况下海冰弯曲破碎过程

在破冰船对海冰接触加载过程中,海冰会发生以径向和环向开裂为表现形式的弯曲破碎过程。海冰首先径向开裂再环向开裂的弯曲破碎过程与海冰首先环向开裂的弯曲破碎过程将导致不同的冰载荷,因此,明确不同接触加载工况下的海冰弯曲破碎过程是理论计算冰载荷的前提条件。文章针对破冰船首部与海冰直线边界接触加载、破冰船首部与海冰凹进边界接触加载,以及船侧部与海冰直线边界接触加载这3类工况,采用弹性地基薄板理论,对控制方程进行归一化处理,并通过有限元法求解归一化控制方程,分析不同工况参数下的海冰弯曲破碎过程,得到上述3类工况下的海冰弯曲破碎过程判断依据。分析结果表明:当船体与海冰接触区域尺寸较大且冰厚较小易发生先环向开裂的弯曲破碎过程,反之则易发生先径向开裂再环向开裂的弯曲破碎过程。

径向裂纹对隧道围岩稳定性影响的数值分析

为研究隧道周边径向裂纹对围岩稳定性的影响,基于内聚力模型建立了一系列隧道模型并进行了连续-非连续数值模拟研究,分析了不同径向裂隙条件下隧道围岩的破坏方式与特征。模型中,径向裂纹具有不同的空间位置与方向,裂纹位置分别为拱肩、拱顶、拱脚及边墙处。结果表明:当径向裂纹位于拱顶时,45°裂纹的存在将不利于隧道的稳定;相同条件下,当径向裂隙位于边墙和拱脚位置时,更加不利于隧道稳定。通过与相关室内试验、数值模拟结果的对比,表明基于内聚力模型的数值分析结果与室内试验结果具有良好的一致性,相比其它数值分析模型,能够更准确地模拟隧道围岩的破坏特征。

A356铸造铝合金车轮轮辐裂纹分析及改进方法

针对轻量化铝合金车轮在径向疲劳试验中的轮辐背腔表面裂纹失效,通过分析轮毂受力,建立力学模型;通过轮辋变形试验,轮辐应变采集试验,采集轮辐受力情况。结果表明:仿真轮辐裂纹处疲劳强度为72 MPa。根据断裂力学得出,过度轻量化导致轮辐横截面积减小,造成应力幅增加,产生轮辐表面裂纹。调整工艺,将轮辐厚度从22.66 mm增至23.06 mm后,增加轮辐横截面积,径向疲劳试验合格。

24.00R35全钢工程机械子午线轮胎胎圈裂口机理研究及胎圈部位轮廓设计优化

基于有限元分析软件对24.00R35全钢工程机械子午线轮胎胎圈裂口进行仿真分析,分析胎圈裂口机理,结合分析结果对胎圈部位轮廓设计进行优化,并试制成品轮胎进行验证。结果表明:胎圈部位过渡圆弧设计和防水线高度对胎圈部位受力影响较大;胎圈侧部采用垂直线设计、胎圈部位轮廓与轮辋曲线互不干涉时,胎圈部位与轮缘的接触压力和剪切应力相对较小;适当的防水线高度可以减小轮胎防水线位置的接触压力和剪切应力;采取优化设计可以明显降低胎圈部位裂口风险,避免轮胎的早期失效,延长轮胎的使用寿命。

大跨宽幅PC连续刚构桥箱梁底板混凝土防崩裂技术研究

大跨宽幅预应力混凝土(PC)连续刚构桥广泛应用于跨越水域、山谷等地形,但随着其应用的普及,该桥型在施工运营过程中箱梁出现裂纹的情况也日益凸显,严重时甚至会发生大面积崩裂,威胁桥梁质量和寿命,底板崩裂就是其中一种病害。龙溪嘉陵江特大桥主桥为三跨(108m+200m+108m)PC连续刚构桥,研究依托该工程,在参考大量文献和现场施工分析的基础上,进行了箱梁底板混凝土崩裂理论研究,并提出了对应的防崩措施,在解决该桥问题的同时给同类工程提供参考借鉴。经研究表明,在采取正确的施工工艺和防崩措施的情况下,可有效避免箱梁底板混凝土出现崩裂。

基于RBFNN的催化再生烟气二氧化硫浓度预测研究

为了提前掌握催化裂化再生烟气中二氧化硫的排放浓度,有效动态指导烟气脱硫设施运行参数调节,研究开展了RBF和BP神经网络在催化裂化再生烟气二氧化硫浓度预测中的应用。通过业务和数据分析,确定了影响再生烟气二氧化硫浓度的工艺特征变量。利用2组采用不同方法清洗的数据,对比分析了RBF和BP神经网络模型在提前15 min情况下,预测再生器出口二氧化硫排放浓度的效果,结果表明2种模型的预测精度分别为90.36%和86.43%。RBF神经网络二氧化硫浓度预测模型经过400个工业样本测试,浓度预测值的最大误差为14.01 mg/m 3,最小误差为0.05 mg/m 3,平均误差为6.08 mg/m 3,满足企业现场应用的要求。

采用韧性断裂准则预测分形旋压径向开裂

径向开裂是分形旋压过程中工件的主要破坏形式,严重制约着该类零件旋压成形极限的提高。由于分形旋压成形过程本身的复杂性,使得预测其径向开裂缺陷,并确定该类工件的成形极限成为难点。基于商用有限元软件ABAQUS/Explicit提供的VUMAT二次开发平台,将Cockcroft-Latham和Lemaitre韧性断裂准则嵌入到有限元数值模拟中,建立了预测分形旋压径向开裂的有限元模型。结果表明,该模型较之Cockcroft-Latham准则、Lemaitre准则,能够更准确地预测分形旋压工件损伤值的分布及其开始出现的位置和时刻。

金刚石线锯横向超声振动切割SiC单晶表面粗糙度预测

把横向超声振动应用到金刚石线锯切割硬脆材料加工中,基于冲量原理分析了线锯横截面上不同位置处金刚石磨粒对工件的法向锯切力。应用压痕断裂力学理论,定量分析了在法向和切向载荷共同作用下磨粒下方中位/横向裂纹扩展的长度和深度。研究了振动磨粒在工件上间歇加载和卸载使横向裂纹优先扩展并抑制中位裂纹扩展的屏蔽效应。建立了横向振动线锯切割硬脆材料时线锯横截面不同位置处磨粒的材料去除模式模型,得到了横向振动线锯切割硬脆材料晶片表面粗糙度的预测公式。以Si C单晶为切割对象,进行普通线锯和横向超声振动线锯切割对比试验,测定线锯的锯切力和晶片表面粗糙度,并对表面形貌进行观察。结果表明,横向超声振动线锯切割Si C是以脆性去除为主塑性去除为辅的混合材料去除模式;同等试验条件下,超声振动线锯切割能使晶片表面粗糙度降低25.7%。表面粗糙度测试结果与理论预测具有较好的一致性。

径向裂纹圆板的振动与辐射声场

在将裂纹板挠度表示为正交多项式之和的基础上,利用瑞利 里兹方法,求解了周界固定径向裂纹板的低阶振动模态频率及挠度;进而利用瑞利积分,求解了裂纹圆板自由振动辐射声场的轴向声压分布及距板心50cm球面上声场的指向性,并与完整板的辐射声场作了对比.用撞击法测定了裂纹圆板辐射声场的频谱,结果与理论值及有限元法求得的结果基本符合.

基于水泥环完整性分析的许用套管内压力解析计算方法

现有的油气井套管—水泥环—地层系统的应力分析模型可用于求解井筒系统应力分布及水泥环破坏条件,虽然对探讨水泥环完整性受套管内压力变化的影响起到了重要作用,但均未能给出许用套管内压力解析计算公式。为此,基于均匀水平地应力条件下的套管—水泥环—地层系统的应力分析解析模型,针对多种水泥环破坏形式,推导出了受其作用下的水泥环径向开裂、剪切破坏、胶结面剥离等破坏条件的许用套管内压力解析计算公式。研究结果表明:(1)按水泥环径向开裂和剪切破坏条件分别求出最大允许套管内压力,推荐采用二者中的较小值作为最大许用套管内压力;(2)按水泥环胶结面剥离条件求出最小允许套管内压力,推荐将其作为许用套管内压力。结论认为,套管内压力升高可能导致水泥环径向开裂和剪切破坏,套管内压力及温度降低可能导致水泥环胶结面剥离,应综合考虑水泥环破坏条件合理确定出最大和最小许用套管内压力。

岩体中封闭爆炸破碎区尺寸参数的近似计算方法

为了进一步研究岩石中爆炸近区的变形性状,依据经典的强度破坏准则将岩石中爆炸近区分为破碎区、径向裂缝区和弹性区。应用正确的爆炸近区运动学关系式,研究了岩石中爆炸作用下各个变形区的发展,着重分析了破碎区尺寸参数与岩石介质特性参数的变化关系。利用各个变形区及与爆炸腔室之间的边界条件和裂缝增长的能量准则,获得破碎区尺寸参数的近似计算方法。结果表明,爆炸腔半径与破碎区半径在较短的时间内单调增至最大值,而后保持不变。为岩石中爆炸问题的相关研究打下基础。

基于有限元方法对人工径向裂纹薄圆板振动辐射声场的研究

在有限元模态分析的基础上 ,提取了含人工径向裂纹的周界固定薄圆板各单元的相关参数 ,并将瑞利积分离散化后进而计算了裂纹圆板辐射声场的轴向声压分布和r =0 .5m球面上声场指向性。结果表明 ,径向裂纹不仅使模态裂解为关于裂纹的对称模态和反对称模态 ,而且使声场分布有显著的变化。通过完整圆板辐射声场计算验证了本文提出方法的正确性。

无限冰介质中爆炸裂纹扩展机理与数值模拟

根据冰体力学性能,提出了无限淡水冰介质在爆炸冲击载荷下的压碎区及裂隙区的理论计算方法。利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA模拟了爆炸载荷下无限区域冰体内裂纹扩展过程,模拟结果与实验结果基本一致,表明采用的损伤断裂模型能够较准确的反映无限冰介质动态力学性能及裂纹成形过程。数值模型可近似计算冰体中裂隙区的半径。数值计算值与理论计算值误差不超过5%,数值模拟结果与实验结果吻合,从而确定了无限区域冰体在-15℃时的基本破坏特征及范围。

三种裂纹形式对陶瓷材料维氏硬度测试结果的影响

基于有限元数值分析方法,对陶瓷材料维氏硬度测试过程中普遍存在的三种裂纹开裂形式对维氏硬度值的影响进行了理论研究。排除尺寸效应对维氏硬度测试结果的影响,对不同载荷下、不同裂纹开裂形式的Si3N4、Zr O2、Al2O3、ZTA、Si C等陶瓷材料的维氏硬度测试结果进行了比较,结果表明:横向裂纹对维氏硬度的测试结果影响较大,径向裂纹和半硬币状裂纹对材料维氏硬度的影响可以忽略。因此,在只有径向裂纹和半硬币状裂纹存在的情况下,维氏硬度测试结果准确可靠。