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氢影响下纳米晶体晶界滑移和晶界三叉点裂纹形核模型

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应用数学和力学 2024年

作者：赵可可朱云蝶张吉鼎江晓禹西南交通大学力学与航空航天学院

在远场均匀拉伸载荷下，裂纹尖端会产生应力集中，与裂纹尖端相邻的晶界会承受较大的切应力，此切应力会导致晶界滑移。研究了氢和纳米晶界滑移对晶界裂纹形核、临界应力强度因子以及屏蔽效应的影响。应用连续分布位错方法给出了模型的... 详细信息

在远场均匀拉伸载荷下，裂纹尖端会产生应力集中，与裂纹尖端相邻的晶界会承受较大的切应力，此切应力会导致晶界滑移。研究了氢和纳米晶界滑移对晶界裂纹形核、临界应力强度因子以及屏蔽效应的影响。应用连续分布位错方法给出了模型的理论解。结果表明：由于位错在晶界三叉点和滑移带尖端处的塞积，楔形裂纹会优先沿着晶界三叉点DC方向和晶界BD向上萌生，而且氢会使得裂纹萌生的总能量降低，氢浓度每增加1%，萌生最稳定裂纹的总能量大约降低1.86%。虽然晶界滑移会使得裂纹尖端的临界应力强度因子和屏蔽效应增大,但是氢使得临界应力强度因子降低。最后根据弱键理论，研究了氢对表面能的影响，氢浓度每增加1%，表面能降低5%。这一理论工作提供了氢和晶界滑移对材料微观断裂力学的新信息，有助于解释金属断裂的微观机理。

关键词：晶界滑移晶界三叉点裂纹氢临界应力强度因子屏蔽效应

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渗透氢对BCC金属裂纹扩展行为的影响

原子与分子物理学报 2024年 51-58页

作者：朱云蝶赵可可张吉鼎江晓禹西南交通大学力学与航空航天学院

在氢环境下,氢原子会吸附在金属材料表面.随着时间推移,氢原子会渗透进入金属内部占据空隙位置.氢原子的聚集会导致应力集中,最终进一步影响材料的力学行为.本文通过分子动力学方法研究氢在裂纹尖端行为的力学响应.研究结果表明,裂纹尖... 详细信息

在氢环境下,氢原子会吸附在金属材料表面.随着时间推移,氢原子会渗透进入金属内部占据空隙位置.氢原子的聚集会导致应力集中,最终进一步影响材料的力学行为.本文通过分子动力学方法研究氢在裂纹尖端行为的力学响应.研究结果表明,裂纹尖端吸附的氢降低了原子间的键合力,导致局部应力集中所需的临界外加载荷减小;使得材料在较低的断裂强度条件下发生破坏,并在很大程度上促进了裂纹的扩展.模拟观察到在外加载荷下吸附氢在裂纹尖端的渗透过程,氢原子会聚集在高应力区域,造成材料塑性降低.另外,渗透进材料的氢原子数目会随着计算时间的增加达到一个最大临界值.当施加应变增大,裂纹尖端渗透氢原子数最大临界值和达到临界值的时间会增加.

关键词：分子动力学裂纹扩展氢渗透塑性损失

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基于车辆动力学的铁路轨道曲线啸叫时域模型

铁道标准设计 2024年第5期68卷 36-43页

作者：李午垚刘奔龙刘洋江晓禹西南交通大学力学与航空航天学院成都611756

曲线啸叫是轮轨切向黏滑接触、轮轨动力学和通过曲线时车辆运行状态的综合结果。为综合研究曲线啸叫的影响因素,基于整车车辆多体动力学,并采用改进的轮轨接触力计算方法,建立了曲线啸叫时域模型。在接触力计算中,使用了离散接触模型,... 详细信息

曲线啸叫是轮轨切向黏滑接触、轮轨动力学和通过曲线时车辆运行状态的综合结果。为综合研究曲线啸叫的影响因素,基于整车车辆多体动力学,并采用改进的轮轨接触力计算方法,建立了曲线啸叫时域模型。在接触力计算中,使用了离散接触模型,为引入下落摩擦机理,在切向力计算中使用迭代方法确定摩擦系数和接触力,使用模态叠加法计算车轮振动响应,采用无限元方法计算车轮声辐射。研究不同曲线半径和通过速度下,曲线段轮轨间接触力的变化及接触区的黏着-滑动状态,对车轮振动特性进行分析,并研究了车轮声学响应。研究发现,在下落摩擦和整车车辆运动状态的共同作用下会出现啸叫现象;曲线段轮轨间的法向力和切向力均会出现振荡,接触区呈现黏滑振荡状态;车轮振动速度谱的峰值频率与车轮特征模态相近,车轮轴向和径向模态的高幅振动是高频啸叫的原因之一。啸叫现象主要出现在前轮上,相同工况下,前后轮声压级相差近20 dB,车辆速度和曲线半径对啸叫程度有明显影响,当车辆的曲线通过速度为60 km/h时,小曲线半径会出现严重啸叫现象;当曲线半径由200 m增大到400 m时,最大声压级降低34 dB;曲线通过速度由60 km/h降至40 km/h时,最大声压级下降13 dB。

关键词：铁路轨道轮轨噪声曲线啸叫离散弹性接触车辆动力学

基于有限元模拟材料缺陷对U71Mn钢表面主裂纹的影响

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成都大学学报（自然科学版） 2024年第1期43卷 76-81页

作者：王强胜江晓禹四川建筑职业技术学院四川德阳618000 西南交通大学力学与航空航天学院四川成都610031

通过有限元法研究了U71Mn钢在弹塑性状态下,其材料缺陷(孔洞)对表面主裂纹尖端力学行为的影响.重点分析了裂纹尖端张开位移(CTOD)、表面张开位移(FSOD)、孔洞方位角β与孔洞半径r等相关变量对裂纹尖端J积分的影响.结果显示,裂纹面对应... 详细信息

通过有限元法研究了U71Mn钢在弹塑性状态下,其材料缺陷(孔洞)对表面主裂纹尖端力学行为的影响.重点分析了裂纹尖端张开位移(CTOD)、表面张开位移(FSOD)、孔洞方位角β与孔洞半径r等相关变量对裂纹尖端J积分的影响.结果显示,裂纹面对应力有屏蔽作用,导致裂纹面附近的应力松弛,而裂纹尖端对应力有放大作用,随着外力增加将导致裂纹的扩展;孔洞位于主裂纹尖端约-75°<β<75°范围时,孔洞将促进裂纹尖端的变形,导致CTOD及J积分值增加,促进主裂纹的扩展;而孔洞位于75°<β<90°或-90°<β<-75°范围时,孔洞将阻碍裂纹尖端的变形,导致CTOD及J积分值均比无孔洞时要小,从而抑制主裂纹的扩展.

关键词： U71Mn钢孔洞 J积分裂纹张开位移裂纹扩展

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基于分布位错法对涂层裂纹力学行为的研究

表面技术 2023年

作者：吴金波孙奇江晓禹西南交通大学力学与航空航天学院

目的在单轴拉伸载荷下，用理论方法求解弹性涂层中裂纹的力学性质和相互影响。方法根据叠加原理，将问题分为两个子问题，使用分布位错原理求解裂纹问题，将裂纹建模为沿裂纹线分布的位错阵列，叠加后使用数值求解方法进行求解。结果 ... 详细信息

目的在单轴拉伸载荷下，用理论方法求解弹性涂层中裂纹的力学性质和相互影响。方法根据叠加原理，将问题分为两个子问题，使用分布位错原理求解裂纹问题，将裂纹建模为沿裂纹线分布的位错阵列，叠加后使用数值求解方法进行求解。结果得到了不同涂层模量、不同裂纹长度下表面裂纹尖端的应力强度因子(SIF)和涂层界面应力。涂层与基底模量相差越大、表面裂纹越长，其界面应力越大；计算了不同方位下的微裂纹对表面裂纹的影响，给出了60°倾角微裂纹、2l/h=0.2和2l/h=0.04表面裂纹以及2a/h=0.01和2a/h=0.018表面裂纹的影响区域；分析了涂层内部倾斜裂纹对表面裂纹应力强度因子和扩展角的影响。内部倾斜裂纹尖端对表面裂纹尖端的等效应力强度因子(ESIF)有增强作用，两侧有减弱作用。结论较硬涂层对表面裂纹的扩展有增强作用，裂纹越长受涂层模量对其应力强度因子影响越大；微裂纹对表面裂纹的影响跟微裂纹位置、方向、长度和表面裂纹长度有关；表面裂纹附近的倾斜裂纹对表面裂纹的扩展具有吸引作用。

关键词：涂层裂纹分布位错应力强度因子界面应力扩展方向

纳米晶体铝在单轴拉伸下的位错堆积对微裂纹扩展的影响

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固体力学学报 2022年第2期43卷 177-185页

作者：李文俊张雪朋江晓禹西南交通大学力学与工程学院成都610031

针对纳米晶体材料,研究了单轴拉伸载荷作用下纳米晶体铝中的裂纹与裂纹尖端发射的位错所形成的滑移面之间的相互作用.通过分布位错法,将裂纹和滑移面等效为均匀分布的连续位错,获得了裂纹面上应力场.并引入裂纹尖端的无位错区,研究了裂... 详细信息

针对纳米晶体材料,研究了单轴拉伸载荷作用下纳米晶体铝中的裂纹与裂纹尖端发射的位错所形成的滑移面之间的相互作用.通过分布位错法,将裂纹和滑移面等效为均匀分布的连续位错,获得了裂纹面上应力场.并引入裂纹尖端的无位错区,研究了裂纹尖端无位错区对微裂纹的萌生和主裂扩展之间的影响.结果表明,不考虑裂纹尖端无位错区时,裂纹长度较短,会先在晶界处形成微裂纹,主裂纹与微裂纹汇合形成偏折裂纹,主裂纹较长时,主裂纹会直接穿晶扩展.滑移面与裂纹尖端夹角较大时,会增加裂纹尖端发射的位错个数,从而抑制主裂纹的扩展.裂纹长度的增加会导致尖端发射位错数目的减少,裂纹尖端发射的位错会增加材料的断裂韧性.考虑裂纹尖端无位错区时,无位错区先于晶界处出现微裂纹,通过主裂纹与微裂纹之间位错的相互发射,导致裂纹与尖端处微裂纹汇合,有效加速了主裂纹的扩展.

关键词：纳米晶体裂纹滑移面位错无位错区

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表面氢对裂纹扩展的影响

原子与分子物理学报 2023年第6期40卷 177-183页

作者：李楠江晓禹西南交通大学力学与航空航天学院成都611756

暴露于含氢环境的金属表面会吸附氢原子,从而影响材料性能,一定情况下会导致氢脆.这篇文章主要通过分子动力学研究氢从α-Fe自由表面扩散到裂纹面的过程、和表面氢对裂纹扩展的影响.结果表明,在室温下,吸附在表面的氢原子很难直接从自... 详细信息

暴露于含氢环境的金属表面会吸附氢原子,从而影响材料性能,一定情况下会导致氢脆.这篇文章主要通过分子动力学研究氢从α-Fe自由表面扩散到裂纹面的过程、和表面氢对裂纹扩展的影响.结果表明,在室温下,吸附在表面的氢原子很难直接从自由表面扩散到内部成为溶解氢;自由表面的氢原子会逐步向裂纹表面扩散,最后富集在裂纹表面和自由表面.当表面氢浓度较低时,氢对裂纹扩展影响很小,但是当裂纹表面的氢达到一定浓度时,会导致裂纹失稳扩展,造成严重的氢脆.

关键词：氢脆裂纹扩展分子动力学位错发射

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基于刚柔耦合模型的地铁啸叫研究

铁道标准设计 2023年

作者：刘洋李午垚江晓禹西南交通大学力学与航空航天学院

地铁在通过狭窄的曲线轨道时经常会产生严重的啸叫噪声，严重影响人们的出行体验，故建立动力学模型研究地铁车辆在曲线段产生啸叫现象的机理。为使高频范围内的动力学仿真结果更加准确，在动力学模型中引入柔性轮对组成动力学刚柔耦合... 详细信息

地铁在通过狭窄的曲线轨道时经常会产生严重的啸叫噪声，严重影响人们的出行体验，故建立动力学模型研究地铁车辆在曲线段产生啸叫现象的机理。为使高频范围内的动力学仿真结果更加准确，在动力学模型中引入柔性轮对组成动力学刚柔耦合系统，模型采用三维滚动接触方法模拟轮轨间的弹性接触，在计算切向力时使用迭代算法并在此基础上引入下落摩擦机制。针对我国地铁运行的速度和曲线半径，设计了5个研究工况，在动力学系统中对不同工况下车辆通过曲线时的蠕滑率和接触力进行研究，并将接触力的计算结果导入边界元模型中，分析不同工况下车轮的振动响应和约束阻尼层的降噪效果。研究结果表明：由弹性轮对组成的动力学刚柔耦合系统在曲线段的垂向振动加速度和垂向力均大于刚性轮对；引入下落摩擦机制后，当曲线半径分别为200m和300m时，轮轨接触力会出现振荡且轮轨间发生两点接触，容易产生啸叫噪声，当曲线半径为400m时，接触力没有出现振荡且轮轨间主要是踏面接触；车轮在曲线段的振动主要是轴向振动；在相同曲线半径下，列车通过曲线时轮轨间产生的接触力会随列车速度的增大而增大，且当速度较大时轮轨间更容易发生两点接触；车轮添加约束阻尼层后，在相同激振力的作用下，阻尼车轮在测点的总声压级均小于标准车轮的总声压级，最大声压级下降21dB。

关键词：地铁啸叫数值模拟刚柔耦合降噪动力学系统

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微裂纹群对主裂纹尖端损伤行为的影响

应用数学和力学 2022年第12期43卷 1347-1358页

作者：李煦苏睿张欢翁倩茹江晓禹成都工业学院智能制造学院成都610036 西南交通大学力学与航空航天学院成都610036

在单轴拉伸荷载作用下,运用Muskhelishvili复变函数法和逐步递推法对无限大平面内含一个主裂纹和多个任意分布的微裂纹问题进行求解,得到了裂纹尖端的应力场和应力强度因子K.在此基础上,结合损伤力学,重新定义了单轴拉伸条件下主裂纹和... 详细信息

在单轴拉伸荷载作用下,运用Muskhelishvili复变函数法和逐步递推法对无限大平面内含一个主裂纹和多个任意分布的微裂纹问题进行求解,得到了裂纹尖端的应力场和应力强度因子K.在此基础上,结合损伤力学,重新定义了单轴拉伸条件下主裂纹和微裂纹尖端的损伤参量D,分析了不同的损伤区形式对主裂纹尖端损伤的影响.结果表明,正向链式和反向链式分布的微裂纹均对主裂纹尖端损伤有增强作用,并且主裂纹尖端的损伤参量随微裂纹的倾斜角度和裂纹间距的减小而增大.当微裂纹的倾斜角度较小时,主裂纹和微裂纹尖端损伤均有增强作用,并且主裂纹尖端损伤的增强作用随着微裂纹的长度增加而增大.在连续损伤区内,均匀分布的微裂纹对主裂纹尖端损伤的增强作用随着微裂纹的数量增加而逐渐增大.

关键词：微裂纹群主裂纹微裂纹分布损伤区损伤参量