复合加载下疲劳裂纹扩展速率研究

本文提出了一种计算曲折裂纹尖端应力强度因子的简单方法。对一种油井钻杆材料在不同Ⅰ－Ⅱ复合比加载下的疲劳裂纹扩展行为的研究表明，Ⅱ型成分成对裂纹扩展速率有两种趋势相反的影响作用，并得到了一个计算复合型裂纹扩展速率的Ｐａｒｉｓ形式的公式。     

描述复合型疲劳裂纹扩展路径的等效模型

复合型裂纹的扩展路径不同于Ⅰ型裂纹,会沿着与初始裂纹面不同的方向扩展,扩展路径的准确预测对扩展速率的评估具有重要的作用.采用最大周向应力准则和最小应变能密度准则进行扩展路径的预测时,开裂角的误差会使裂纹不断偏离实际路径,造成最终结果的较大偏差.论文将复合裂纹在扩展过程中的弯折裂纹简化为直线裂纹,对简化过程中所产生的误差进行定量分析,并在此基础上提出了一种描述复合型裂纹扩展路径的等效修正模型.将此模型写入ABAQUS扩展有限元模块,实现了基于等效修正模型的疲劳裂纹扩展程序.通过对含中心斜裂纹板的疲劳裂纹扩展试验,验证了该模型的有效性,预测的开裂角与试验结果基本一致,所得到的载荷循环次数低于试验值,对含裂纹结构的寿命评估偏于保守.     

旋转防喷器壳体疲劳裂纹扩展研究

受井内高压和岩屑颗粒反复碰撞,旋转防喷器壳体会出现裂纹,裂纹的进一步扩展会导致壳体发生破裂。本研究基于Paris公式研究旋转防喷器壳体的疲劳裂纹扩展寿命,通过疲劳裂纹扩展试验确定Paris公式的材料常数,通过有限元模拟对CT试样进行疲劳裂纹扩展研究,分析初始裂纹尺寸、载荷大小的影响。结果显示：实验结果与有限元仿真结果能较好吻合;随着初始裂纹尺寸的增加,裂纹前缘应力强度因子逐渐增大,初始裂纹开始扩展,深度亦会随应力幅和应力比的增大而增大,而裂纹扩展寿命随着裂纹长度和载荷增大而减小,随着应力比的增大而增大。该研究为旋转防喷器安全使用提供一定的理论依据和研究方法。     

三维复合型疲劳裂纹扩展试验研究与数值分析

本文在MTS810试验机上进行了不同加载角度的有机玻璃三维Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展试验,通过显微镜记录试样的裂纹扩展过程,同时采用扩展有限元计算出有机玻璃三维Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖端应力强度因子。结果表明,不同加载角度下的裂纹扩展方向基本与外载荷方向垂直,裂纹扩展路径近似为一条直线,且裂纹扩展角度值随加载角度的增大而增加,试验结果符合最大周向应力准则;在厚度方向上,Ⅰ型应力强度因子呈拱形分布,试样厚度中心Ⅰ型应力强度因子最大,由中心向两端逐渐降低,自由表面处最小,同时发现试验过程中裂纹也是从中心开始起裂,两者相符。Ⅱ型应力强度因子数值分布与Ⅰ型类似,趋近于自由表面时会发生微小突变,但其值总小于Ⅰ型应力强度因子,整个扩展过程中,Ⅰ型应力强度因子占主导。     

基于紧凑拉伸剪切结构的复合型疲劳裂纹扩展研究

针对含I-II型复合裂纹的紧凑拉伸剪切(CTS)试样,研究了不同加载角度下的裂纹扩展路径及裂纹扩展寿命,通过实验数据给出了适宜于CTS试样的等效应力强度因子关系式,并基于此提出了一种新的I-II型复合裂纹扩展模型。研究表明,CTS试样的裂纹沿与加载方向近垂直的方向扩展,基于Tanaka公式的等效应力强度因子更适合于本文CTS试件的裂纹扩展寿命评估。当加载角度处于0°~45°之间时,提出的复合型裂纹扩展模型预测误差控制在5.49%之内,验证了分析模型的可行性和准确性。     

用权函数法建立疲劳裂纹扩展的估算模型

本文应用权函数法定量地描述了疲劳裂纹在焊接残余应力场中的扩展特性,提出了利用已知的母材疲劳裂纹扩展速率来预测焊接件疲劳裂纹扩展速率的关系式。     

冷喷涂试件疲劳裂纹扩展规律试验研究

冷喷涂作为一种新兴的表面处理技术,广泛应用于增材制造和零部件修复等领域.为了探究冷喷涂处理后Q355钢基体的疲劳裂纹扩展规律,对2组标准单边缺口 3点弯曲试样进行了冷喷涂处理.在光滑的Q355B钢基材表面分别沉积了纯Al和A5052铝合金涂层,然后对冷喷涂试件和一组未喷涂光滑试件进行了 3点弯曲疲劳试验,得到了裂纹尖端张开位移和裂纹长度、裂纹扩展速率和荷载循环次数的规律曲线并进行了对比分析.结果表明:在裂纹扩展长度相同的情况下,冷喷涂试件和未喷涂试件的裂纹尖端张开位移基本相同,且随着疲劳裂纹的延伸,裂纹尖端张开位移也随之快速增大;在一定的裂纹尖端张开位移范围内,冷喷涂处理可以降低疲劳裂纹扩展速率;采用裂纹尖端张开位移作为疲劳裂纹扩展控制参数对冷喷涂试件的疲劳裂纹扩展规律进行判定是准确的,且裂纹尖端张开位移通过试验容易获得,简单方便,可以同时满足裂纹尖端弹性和塑性的情况.     

钢轨表面三维疲劳裂纹扩展数值分析

在车轮循环滚动接触载荷作用下,钢轨接触表面裂纹问题频发,严重威胁高速列车运行安全,开展钢轨表面三维滚动接触疲劳裂纹扩展分析意义重大.首先,考虑不同初始裂纹角度,建立钢轨轨头含初始裂纹的三维有限元模型,对钢轨表面施加循环滚动接触载荷,进行轮轨滚动接触计算;然后,基于相互作用积分法计算裂纹前缘的应力强度因子;最后,采用最大周向应力准则和Paris公式计算当前状态下裂纹扩展方向和扩展速率,进而更新下一时刻的裂纹形状和尺寸.通过对上述过程重复实现,从而预测钢轨表面三维裂纹的扩展路径.加载过程中裂纹前缘应力强度因子计算结果表明,随着初始裂纹角度增加,K_Ⅰ的峰值逐渐减小,K_Ⅱ的峰值逐渐增大,裂纹前缘各位置的等效应力强度因子逐渐减小;裂纹前缘节点的位置越靠近钢轨表面,等效应力强度因子越大.疲劳裂纹扩展计算结果表明,随着循环次数的增加,不同初始角度下的裂纹都发生了偏折,逐渐朝着钢轨深度方向扩展,且裂纹的初始角度越大,发生扩展时需要的循环次数越多.对比三种初始裂纹角度下裂纹长度随循环次数的演化曲线可以发现,初始裂纹角度越小,裂纹扩展速率越大.所开发的方法也适用...     

复合型裂纹扩展的主应力因子模型及Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹扩展

以垂直于裂纹扩展径向平面上的主应力σ1及极径r的组合量√2πrσ1作为主应力因子σ1，提出了主应力因子的复合型裂纹扩展的断裂准则及静态断裂模型，在此基础上，推导了考虑裂纹闭合的扩展速率公式，进行了Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹扩展试验，并对断口作了扫描电镜观察分析，试验表明：提出的裂纹扩展模型是适用的。     

表面裂纹疲劳扩展形状演化预测

应用新的应力强度因子经验公式预测了拉伸和纯弯曲载荷下疲劳扩展过程中表面裂纹形状的演化,并与Newman和Raju的经验公式以及实验结果进行了比较。结果表明:虽然对应力强度因子估算有一定差别,但两者对裂纹形状演化的预测有很好的一致性,预测结果与实验结果也比较吻合,从而表明所提出的经验公式能够用于预测疲劳扩展过程中表面裂纹形状演化。     

Crack growth under alternating loading

Crack propagation under alternating loading is investigated. Relations between the growth rate of a fatigue defect and loading parameters and the expression for the stress intensity factor are derived for compression of a cracked solid taking into account the possible contact of the crack faces. A model for the deformation of a small region near the crack tip is proposed which allows one to formulate the conditions of residual opening of a growing fatigue crack. The experimental data obtained in tests of steel samples are compared with the results of calculation using the developed procedure. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 49, No. 5, pp. 190–198, September–October, 2008.     

对裂纹扩展规律Paris公式物理本质的探讨

首先讨论了著名力学家K. Krausz和A. S. Krausz关于Paris公式物理本质研究的成果,从材料的微观结构和裂纹尖端的应力场出发, 应用位错动力学理论、热激活能理论和速率过程理论对疲劳裂纹扩展规律进行了微观到宏观的探讨,最终推导出疲劳裂纹扩展速率的一个解析表示式. 该式严格地定义了Paris公式的两个试验常数,赋予了Paris公式明确的物理意义,从而真实地揭示了Paris公式的物理本质,为这一经验的普遍规律奠定了理论基础.     

高应变率下断裂韧性实验的数值模拟

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA程序对静态和冲击荷载作用下的含裂纹半圆弯曲(SCB)实验进行了数值模拟。根据静态实验的模拟结果,提出了适合复合型加载的Ⅰ型应力强度因子拟合公式,采用该公式计算应力强度因子的最大误差不超过10%。动态实验的模拟结果表明：对于纯Ⅰ型加载的SCB实验,动态应力强度因子随着试样半径、支座间距以及相对裂纹长度的变化呈现规律性变化;当试样半径小于60mm、相对支座间距为1.2、相对裂纹长度在0.1~0.4范围内时,惯性效应的影响较小,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差约10%;对于复合型加载的SCB实验,当相对裂纹长度为0.2~0.4、裂纹倾角在10°~40°范围内时,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差小于10%。     

Investigation on 3D fatigue crack propagation in surface-cracked specimens

In the present work the fatigue crack growth in AISI304 specimens is investigated experimentally. In 3D finite element analysis the virtual crack closure technique is applied to calculate distributions and variations of the stress intensity factor along the surface crack front. It is confirmed that the stress intensity factor along the surface crack front varies non-uniformly with crack growth. Crack growth rate is proportional to the stress intensity factor distribution in the 3D cracked specimen. The fatigue crack growth in surface cracked specimens can be described by the Forman model identified in conventional compact tension specimens. For crack growth in the free specimen surface the arc length seems more suitable to quantify crack progress. Geometry and loading configuration of the surface cracked specimen seem to not affect the fatigue crack growth substantially.     

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.     

基于裂纹闭合效应的高载迟滞预测模型修正

裂纹闭合效应通常是导致Ⅰ型裂纹扩展在高载作用下发生迟滞效应的主要因素之一.本文采用汽车薄板QSTE340TM材料,针对不同应力比,高载比条件下疲劳裂纹扩展行为进行了实验研究.论文通过断面分析,针对各参数对裂纹闭合效应的具体影响进行了分析讨论,认为裂纹作用区域随裂纹扩展而动态变化,从而提出了一种对有效应力强度因子幅的修正方法.通过在原有模型中引入幂函数形式的动态变量α,表征裂纹闭合效应的作用比例随裂纹长度的动态变化,取得了较好的效果.     

基于圆弧底试件的动态裂纹扩展及止裂规律研究

为了研究脆性材料的动态裂纹扩展及止裂规律,设计了一种带圆弧形底边的梯形开口边裂纹（trapezoidal opening crack with arc bottom,TOCAB）构型的试件。在落锤冲击设备加载下,对圆心角为0°、60°、90°和120°的TOCAB试件进行了冲击实验,并采用裂纹扩展计(crack propagation gauge,CPG)监测裂纹起裂和扩展时间,从而获得裂纹扩展速度。采用有限差分软件AUTODYN对落锤冲击设备和试件进行数值模拟,研究了裂纹的动态扩展过程及止裂规律。还基于实验和数值方法,计算了裂纹的临界动态应力强度因子。实验和数值结果均表明：3种弧度的TOCAB试件都可以实现运动裂纹止裂,该构型可用于研究动态裂纹止裂问题;数值计算的裂纹扩展路径与实验结果基本一致,验证了数值模型的有效性;裂纹起裂和止裂时刻的临界动态应力强度因子大于裂纹动态扩展过程中的临界动态应力强度因子。

     

INTERACTION OF THREE PARALLEL CRACKS IN RECTANGULAR PLATE UNDER CYCLIC LOADS

This paper presents a numerical approach for modeling the interaction between multiple cracks in a rectangular plate under cyclic loads. It involves the formulation of fatigue growth of multiple crack tips under ruixed-mode loading and an extension of a hybrid displacement discontinuity method （a boundary element method） to fatigue crack growth analyses. Because of an intrinsic feature of the boundary element method, a general growth problem of multiple cracks can be solved in a single-region formulation. In the numerical simulation, remeshing of existing boundaries is not necessary for each increment of crack extension. Crack extension is conveniently modeled by adding new boundary elements on the incremental crack extension to the previous crack boundaries. As an example, the numerical approach is used to analyze the fatigue growth of three parallel cracks in a rectangular plate. The numerical results illustrate the validation of the numerical approach and can reveal the effect of the geometry of the cracked plate on the fatigue growth.