基于有限元法的单边裂纹孔板应力强度因子

为了研究板长、圆孔半径对拉伸载荷作用下的有限宽度平板裂纹尖端应力强度因子的影响,运用ABAQUS有限元仿真软件进行数值模拟,给出了有限宽度带孔单边裂纹平板裂纹尖端应力强度因子求解方法。结果表明,板长、板内圆孔半径和裂纹长度对有限宽度裂纹平板的裂纹应力强度因子有着很大的影响。     

考虑裂纹面摩擦的有限多裂纹板的应力强度因子解析与数值方法

对在双轴压缩作用下,考虑裂纹面间摩擦力的无限大板中双裂纹与单裂纹的应力强度因子解析解进行对比分析。结果表明,裂纹面间的摩擦力对多裂纹应力强度因子的修正系数是没有影响的,只对有效剪应力产生影响。以无限板周期裂纹的解为例,将该解析解作为有限板共线多裂纹应力强度因子的近似理论解,运用有限元数值计算有限板共线双裂纹的应力强度因子,并将其结果与近似理论解进行对比分析。计算结果表明,有限板共线双裂纹应力强度因子的近似理论解与通过有限元法计算得到的数值解基本吻合,验证裂纹面间摩擦力对应力强度因子的修正系数没有影响,裂纹面间无摩擦力时多裂纹相互影响引起的修正系数可以作为考虑裂纹面间摩擦力时的修正系数。     

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的应力强度因子有限元计算分析

ABAQUS软件对中心穿透斜裂纹板及边斜裂纹板进行了有限元模拟.计算复合型裂纹的应力强度因子KⅠ和KⅡ,并将计算结果与现有理论结果进行了比较;分析了裂纹尺寸和裂纹角对应力强度因子的影响.结果表明:裂纹角从0°增大到90°,裂纹类型由复合型向纯Ⅰ型转变;用ABAQUS软件计算复合型裂纹的应力强度因子相对误差保持在5%之内,计算精度完全满足工程要求.     

P92钢蒸汽管道焊接接头中两裂纹相互作用的有限元分析

P92钢蒸汽管道焊接接头中易出现裂纹等缺陷,严重威胁着超超临界机组的安全运行,采用ANSYS Workbench软件建立了焊接接头中两半椭圆表面裂纹的有限元模型,并研究了两裂纹间距和次裂纹尺寸对主裂纹前缘应力强度因子的影响规律。研究结果表明,对于两共面的轴向裂纹和两共面的环向裂纹,次裂纹的存在增大主裂纹前缘的应力强度因子,而对于两非共面的轴向裂纹和两非共面的环向裂纹,次裂纹的存在则减小主裂纹前缘的应力强度因子,且这种作用随两裂纹间距的减小或次裂纹尺寸的增大而增强。对于中心连线与轴线平行的轴向与环向裂纹,当形状因子a/c=0.4时,环向裂纹的存在对轴向裂纹前缘应力强度因子的影响不大;但轴向裂纹的存在却增大环向裂纹前缘的应力强度因子,且这种作用随两裂纹间距的减小或轴向裂纹尺寸的增大而增强。当a/c=1.0时,一条裂纹的存在增大另一条裂纹前缘的应力强度因子,且这种作用随两裂纹间距的减小而略有增强;增大环向裂纹尺寸,其增大轴向裂纹前缘应力强度因子的作用略有增强;轴向裂纹尺寸对环向裂纹前缘应力强度因子的影响则取决于两裂纹间距。     

T应力对复合型断裂韧度的影响

作为结构疲劳裂纹重要的断裂参数之一,应力强度因子可反映裂纹尖端应力场的强度。但实验发现,在求解断裂角时,裂纹尖端应力场中的T应力项对数值计算结果影响较大。文中采用Ansys 15.0中的相互作用积分法来求解应力强度因子和T应力,分析含裂纹结构的几何尺寸、载荷大小、初始裂纹长度和裂纹角对SIF和T应力的影响,对比考虑T应力后的最大周向应力准则MTS和传统的MTS,分析了T应力对裂纹扩展方向的影响。     

斜耳片连接件应力强度因子表达式的计算研究

运用Ansys有限元软件,建立对称斜耳片受纵向拉载的有限元模型。在边界条件的设定时实现在耳孔面上施加符合实际情况的余弦分布载荷;通过分析耳片无量纲裂纹长度a/R1、外内径比R2/R1及耳孔内径值R1对应力强度因子值的影响,拟合得到对称斜耳片受纵向拉伸载荷的耳孔单边裂纹尖端应力强度因子表达式,并通过相应的剩余强度试验进行验证。其方法可用于其他形式耳片或类似结构的应力强度因子表达式的求解。     

残余热应力对复合材料双面胶接含裂纹铝合金板修复结构疲劳寿命的影响

为研究残余热应力对复合材料双面胶接修复损伤金属结构疲劳寿命的影响,利用T300/E51复合材料补片对含中心裂纹的LY12CZ铝合金板进行双面胶接修复,研究了修复结构的疲劳寿命,并通过断口分析反推出了疲劳裂纹的扩展情况;利用Abaqus软件建立了考虑残余热应力的修复结构的三维有限元模型,分别计算了应力强度因子随裂纹长度的变化关系,并利用二次多项式拟合得到了应力强度因子幅值与裂纹长度的关系式;最后,利用Pairs公式材料常数修正法,对修复结构的疲劳寿命进行了预测。结果表明:在相同的疲劳载荷条件下,裂纹板修复结构的疲劳寿命约为未修复裂纹板的23倍;残余热应力会增加裂纹尖端的应力强度因子;有限元模拟的裂纹板修复结构的疲劳寿命与试验结果吻合较好,相对误差为3.7%。     

纳米尺度孔边裂纹裂尖Ⅲ型应力强度因子研究

研究了纳米尺度圆孔孔边裂纹在远场反平面剪切载荷作用下的断裂性能。基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论和保角映射技术,利用复变弹性理论获得了该类非均匀材料应力场的解析解,给出了裂尖Ⅲ型应力强度因子的闭合解。基于所得解答,研究了孔边的应力场分布规律,讨论了裂尖应力强度因子的尺寸依赖效应以及圆孔相对尺寸对应力强度因子的影响。研究结果表明：孔边应力场呈现非单调分布,表面效应对孔边不同位置应力的影响程度不同;当圆孔裂纹的尺寸在纳米量级时,裂尖应力强度因子具有显著的尺寸依赖效应;圆孔相对裂纹尺寸对裂尖应力强度因子的影响规律受表面性能的制约,同时表面性能对应力强度因子的影响也取决于圆孔的相对尺寸。     

加强筋对三维裂纹应力强度因子的影响

对含有表面裂纹的构件,采用加强筋进行局部加强可以阻止或延缓裂纹的扩展。应力强度因子是表征裂纹尖端应力应变场的重要参量,因此研究加强筋对表面裂纹应力强度因子的影响对于加强筋的设计具有十分重要的意义。运用断裂力学的理论,采用有限元分析方法,建立带加强筋的平板表面裂纹三维模型。在裂纹长度不同的情况下,以加强筋的位置、长度、宽度和厚度为参数,分析了不同参数对裂纹应力强度因子的影响。结果表明,应力强度因子与加强筋的位置、宽度及厚度有关,长度对其影响可以忽略。     

焊接结构件疲劳裂纹扩展的数值研究

针对焊接结构件中出现地裂纹现象,建立塔式起重机起重臂有限元模型。采用有限元数值模拟,同时考虑残余应力的影响,计算QTZ40塔机起重臂下弦杆与水平腹杆焊接处在变幅小车满载和空载状态下,不同长度裂纹对应的应力强度因子,建立裂纹应力强度因子幅与裂纹长度的函数关系,进而估算塔机起重臂的疲劳寿命。结果表明:应力强度因子幅随裂纹长度的增加而增大,当裂纹长度到达某一值后,应力强度因子幅呈指数型加快形式,故采取有效措施防止裂纹的快速扩展,可提高结构的疲劳寿命。     

利用铝合金疲劳裂纹扩展速率预测其断裂韧度

测试了2124铝合金TL与LT取向疲劳裂纹扩展门槛值,提出了用疲劳裂纹失稳扩展阶段最后十个循环中的最大值来估算2124铝合金TL与LT取向的断裂韧度K′C的方法,并将其与Forman公式预测的断裂韧度Kc值进行对比。结果表明:K′C与Kc值结果相近,误差分散度小;将K′C值代入全范围疲劳裂纹扩展速率表达式中,对2124铝合金TL和LT取向试验数据进行计算,预测结果与试验结果较好吻合。     

表面开口裂纹高度的超声无损测定

介绍了超声端点衍射法在表面开口裂纹高度中测定原理,自行设计了测量方案,试验运用K=1,1．5,2,2．5的探头分别对高度为2,3,5,7,9,11,13,15,17,20mm的裂纹进行了超声测量,结果表明K=1时,具有最高的测量精确度,且随着K值的增大,测量误差呈增大趋势;对于不同高度的裂纹,运用衍射法测量的平均误差波动较小,说明衍射法具有高度选择性,对于高度越大的裂纹,测量越准确。     

时域电磁法套管探伤技术三维有限元数值模拟

提出了一种非接触式套管探伤装置设计方案.采用有限元仿真技术,对装置中纵向磁探头与横向磁探头的时域电磁响应进行了数值模拟.结果表明,纵向磁探头产生与套管同轴的环状涡流,而横向磁探头产生的涡流方向与前者互相垂直.磁探头上的接收信号主要来自金属套管.分析了套管上存在孔洞、纵向裂缝和横向裂缝时,两种磁探头的响应特性.不同孔洞损伤的电磁响应计算结果显示,两种磁探头对孔洞直径的变化均具有较高分辨率.通过对不同参数纵向裂缝与横向裂缝电磁响应特征的讨论,认为横向磁探头对套管上纵向裂缝长度的变化无判断能力,而纵向磁探头对横向裂缝长度变化的识别效果较弱.不同套管损伤的实验结果证实了数值模拟的正确性.     

基于裂缝梁动力特性和自振频率的参数敏感性

基于Bernoulli-Euler理论,将开口裂缝梁视为变截面梁,利用模态摄动方法建立了一种求解带任意数量开口裂缝简支梁和连续梁动力特性的半解析分析方法。在等截面无损梁的模态子空间内将裂缝梁的变系数微分方程的求解转化为非线性代数方程组的求解;利用无损梁的自振频率和振型函数摄动求解裂缝梁的模态参数;通过矩形开口裂缝简支梁和两跨连续梁的动力试验验证了笔者方法的准确性;最后,利用开口裂缝梁动力特性的半解析解研究了简支梁和两跨连续梁的自振频率对裂缝尺寸和位置的敏感性。     

含裂纹损伤容限结构危险性评估技术

断裂力学理论认为结构破坏是由疲劳裂纹的不断扩展所致,而损伤容限结构能够在承受一定损伤(裂纹)情况下继续安全使用。为了评估含损伤(裂纹)结构的使用危险性,提出一种以裂纹长度为参量的结构破坏危险性估计方法,详细分析了瞬时裂纹尺寸与临界裂纹尺寸的分布形式,建立瞬时裂纹尺寸与临界裂纹尺寸之间的干涉关系,利用Monte-Carlo模拟方法得出当前裂纹尺寸下结构发生破坏的概率。算例表明方法简单有效。     

热和机械载荷联合作用下的通用权函数法及应用

将热权函数法拓展为包括温度载荷、表面力和体积力等机械载荷在内的通用权函数法.通用权函数只与物体的几何形状有关,与时间及载荷无关.利用多虚拟裂纹扩展技术,给出热和机械载荷联合作用下的三维Ⅰ型裂纹问题通用权函数法的有限元格式.通用权函数法特别适合于计算复杂冲击载荷下应力强度因子分布的过渡过程.计算实例表明,通用权函数法具有很高的计算效率,又具有与COD法相当的精度.     

疲劳裂纹扩展速率两种数据处理方法的比较

采用七点递增多项式法和Smith法对20MnHR焊缝与热影响区疲劳裂纹扩展速率试验数据进行处理，求得试样疲劳裂纹扩展速率及裂纹尖端应力强度因子范围的值，并对试验结果进行比较分析。试验分析说明较薄试样可以得到疲劳裂纹扩展速率的斜率转折点，以平面应变性质为基础的Paris裂纹扩展速率定律能够安全地应用。在较大范围的扩展区域内，用七点递增多项式法得到的疲劳裂纹扩展速率比Smith法具有较高的安全系数，可应用于实际的焊接结构，并具有一定的安全性。     

短裂纹模拟及其CT仿真投影获取方法研究

短裂纹尺寸一般都在几个微米到几十个微米之间,已低于目前工业CT的最小分辨率,无法被检测出来。基于CT仿真系统,利用结构实体几何模型,设计了一种短裂纹的模拟方法以及其仿真投影数据的获取方法。首先仿真高于实际尺寸数倍的短裂纹群,以达到CT仿真系统的扫描精度,扫描获取该短裂纹群的CT投影数据;之后把该图像数据利用像素合并法缩小到实际尺寸,然后把缩小的CT图像合并,此时便得到了实际尺寸的短裂纹群CT仿真投影图像。利用该结果可以进行下一步的CT重建和疲劳寿命分析等方面的研究。试验证明该方法能得到较为真实的短裂纹群CT投影数据。     

基于遗传算法的旋转机械转子裂纹识别的研究

转子裂纹是旋转机械中常见且危险的一种故障,转子裂纹的有效识别和定位也是故障诊断领域一直研究的课题。将转子裂纹的识别作为一反问题,从反问题的求解角度,提出了基于遗传算法的转子裂纹识别策略,该策略的基本思路是借助于有限元分析方法建立裂纹转子的有限元模型,并将转子裂纹识别问题形式化为一优化问题,进而利用遗传算法进行优化求解实现转子裂纹的识别。数值仿真研究表明,所提出的裂纹识别的反问题进化求解策略能以较好的精度和鲁棒性识别转子裂纹,是有效可行的,且适用于更广泛的无损检测和缺陷辨识等应用场合。     

疲劳裂纹三维动态扩展灰色系统预测

基于系统的观点和腐蚀深度、高载系数和载荷循环等外界因素对疲劳裂纹扩展的影响分析,应用灰色系统预测模型对疲劳裂纹的三维扩展进行动态预测和影响因素分析,建立了疲劳裂纹三维动态扩展灰色模型和灰色残差模型,对某试件疲劳裂纹三维动态扩展进行了拟合和预测,表明灰色系统模型具有较好的拟合度和较高的预测精度。