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以能量表征的平面应变及平面应力Ⅰ型裂纹J积分解

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航空学报 2023年第12期44卷 201-211页

作者：冯子夜蔡力勋于思淼西南交通大学力学与航空航天学院成都610031

J积分用于表征Ⅰ型裂纹尖端应力应变场程度,并用于在裂纹启裂与准静态扩展下确定材料弹塑性初始断裂韧度和扩展断裂韧度(J阻力曲线)。基于能量密度等效,考虑有效变形体积的尺寸效应对含裂纹试样能量的影响,提出了平面应变及平面应力下... 详细信息

J积分用于表征Ⅰ型裂纹尖端应力应变场程度,并用于在裂纹启裂与准静态扩展下确定材料弹塑性初始断裂韧度和扩展断裂韧度(J阻力曲线)。基于能量密度等效,考虑有效变形体积的尺寸效应对含裂纹试样能量的影响,提出了平面应变及平面应力下描述Ⅰ型裂纹试样J积分与试样尺寸、材料参数、应变能之间关系的半解析能量解。针对不同材料、不同几何尺寸的6类Ⅰ型裂纹试样,基于本文模型预测的J积分-能量关系与有限元分析结果密切吻合。

关键词： J积分 Ⅰ型裂纹弹塑性平面应变平面应力

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304不锈钢O形环回弹量的预测模型研究

机械强度 2009年第3期31卷 443-447页

作者：陈洪军蔡力勋西南交通大学应用力学与工程系成都610031

对304不锈钢多种截面尺寸的O形环短管试样进行多级压扁回弹试验及O形环力学行为的有限元分析。根据量纲分析原理,确定影响回弹量的五个独立变量。发现压缩比在4%至21%之间时压缩比与回弹比及几何构型参量与回弹比之间的线性律,在此基础... 详细信息

对304不锈钢多种截面尺寸的O形环短管试样进行多级压扁回弹试验及O形环力学行为的有限元分析。根据量纲分析原理,确定影响回弹量的五个独立变量。发现压缩比在4%至21%之间时压缩比与回弹比及几何构型参量与回弹比之间的线性律,在此基础上提出基于几何效应的TSM-Ⅰ和TSM-Ⅱ回弹量预测模型,由试验结果及有限元结果确定304不锈钢的TSM-Ⅰ和TSM-Ⅱ回弹量预测模型参数,两类模型均有较高预测精度。

关键词： 304不锈钢 O形环回弹量预测模型塑性量纲分析接触分析

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平面幂律塑性Ⅰ型裂纹尖端应力场全解

力学学报 2023年第1期55卷 95-112页

作者：王志强蔡力勋黄茂波西南交通大学力学与航空航天学院应用力学与结构安全四川省重点实验室成都610031

在航空航天、船舶、石油管道和核电等领域,服役结构或部件在长期极端条件下运行,不可避免地会产生裂纹,因此,为研究含裂纹结构的准静态断裂行为,必须了解裂纹尖端附近区域的应力应变场特点.对于幂律材料裂纹构元,研究平面应变和平面应... 详细信息

在航空航天、船舶、石油管道和核电等领域,服役结构或部件在长期极端条件下运行,不可避免地会产生裂纹,因此,为研究含裂纹结构的准静态断裂行为,必须了解裂纹尖端附近区域的应力应变场特点.对于幂律材料裂纹构元,研究平面应变和平面应力条件下Ⅰ型裂纹尖端应力场的解析分布.基于能量密度等效和量纲分析,推导了能量密度中值点代表性体积单元(representative volume element,RVE)的等效应力解析方程,并定义其为应力因子,进而针对有限平面应变和平面应力紧凑拉伸(compact tension,CT)试样和单边裂纹弯曲(single edge bend,SEB)试样,以应力因子作为应力特征量,并构造用于表征裂尖等效应力等值线的蝶翅轮廓式和扇贝轮廓式三角特殊函数,提出描述幂律塑性条件下平面I型裂纹尖端应力场的半解析模型.该半解析模型形式简单,对CT和SEB试样的裂尖应力场的预测结果与有限元分析的结果比较表明,两者之间均密切吻合,模型公式可直接用于预测Ⅰ型裂纹尖端应力分布,方便于断裂安全评价和理论发展.

关键词：幂律塑性平面条件 Ⅰ型裂纹能量密度等效半解析模型应力场

30Cr2Ni4MoV转子钢Ⅱ型裂纹的疲劳扩展行为

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机械工程学报 2020年第20期56卷 88-97页

作者：祁爽蔡力勋包陈刘晓坤西南交通大学力学与工程学院成都610031

材料疲劳裂纹扩展(Fatigue crack propagation,FCP)速率是表征材料抗疲劳破坏的重要力学性能指标,是对核反应堆工程、化工、航空、航天、高铁等关键工程进行结构完整性评价的重要依据。采用Arcan试样对30Cr2Ni4MoV转子钢的Ⅱ型裂纹疲劳... 详细信息

材料疲劳裂纹扩展(Fatigue crack propagation,FCP)速率是表征材料抗疲劳破坏的重要力学性能指标,是对核反应堆工程、化工、航空、航天、高铁等关键工程进行结构完整性评价的重要依据。采用Arcan试样对30Cr2Ni4MoV转子钢的Ⅱ型裂纹疲劳扩展行为进行研究,结合已有裂纹扩展方向预测准则对Ⅱ型裂纹疲劳扩展方向进行预测,结果表明,最大周向应力准则可以较好地预测Ⅱ型裂纹疲劳扩展方向。采用紧凑拉伸(Compact tension,CT)试样获取30Cr2Ni4MoV转子钢的I型裂纹疲劳扩展速率,对比I型裂纹和Ⅱ型裂纹的疲劳扩展试验获得的FCP速率与J积分范围关系趋势,二者较为接近。针对30Cr2Ni4MoV转子钢,依据Arcan试样获得的Ⅱ型裂纹疲劳扩展速率试验结果可用于结构裂纹扩展剩余寿命的预测。

关键词：疲劳裂纹扩展 Ⅱ型裂纹有限元分析最大周向应力准则 J积分

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基于材料断裂韧度测试的COD换算方法研究

机械强度 2010年第1期32卷 116-120页

作者：金蕾蔡力勋包陈西南交通大学力学与工程学院成都610031

考虑到断裂韧度J积分塑性分量的塑性功由载荷与加载线位移关系得到,通过测试CT(compact tension)和SEB(single edge bending)试样的裂纹嘴张开位移实现J积分计算,提出适用于两种试样的裂纹嘴张开位移与加载线张开位移转换的换算公式,并... 详细信息

考虑到断裂韧度J积分塑性分量的塑性功由载荷与加载线位移关系得到,通过测试CT(compact tension)和SEB(single edge bending)试样的裂纹嘴张开位移实现J积分计算,提出适用于两种试样的裂纹嘴张开位移与加载线张开位移转换的换算公式,并采用45钢CT试样和30CrMo钢SEB试样对新公式进行有限元数值比对和试验比对。结果表明,新公式结果与规范演算结果之间的相对误差不超过0.4%,与有限元分析结果之间的相对误差不超过0.6%,与CT试样试验结果之间的相对误差小于4.5%,与SEB试样试验结果之间的相对误差小于6%。

关键词：断裂韧度裂纹张开位移 J积分有限元规范

考虑裂尖约束效应的小尺寸CIET试样延性断裂行为

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机械工程学报 2017年第2期53卷 34-44页

作者：包陈蔡力勋但晨何广伟西南交通大学力学与工程学院成都610031 西南交通大学应用力学与结构安全四川省重点实验室成都610031

应用单试样规则化法完成了压力容器用钢SA-508紧凑拉伸(Compact tension,CT)、三点弯曲(Single edge-notched bending,SEB)和小尺寸含内侧边裂纹C形拉伸(C-shaped inside edge-notched tension,CIET)三类试样的延性裂纹扩展行为试验,获得了J-Δa阻力曲线。结果表明,SA-508钢的J-Δa阻力曲线受试样构形和裂纹尺寸的影响较大,其根本原因在于试样裂纹尖端约束不同而引起延性断裂行为差异。引入J-Q-M三参数约束理论考察断裂试样的裂尖约束效应,采用权重平均法求解与距离无关的约束参数Q。弹塑性有限元分析结果表明,平面应变条件下的Q参数与载荷水平无关,但三维条件下的Q参数却仍受载荷水平的影响。基于J-Q-M三参数约束方法,建立三类试样满足J-Q-M控制的有效尺寸条件。进一步地,结合条件启裂韧度J0.2BL、J0.5BL试验结果和J-Q-M理论,获得了基于Q参数的约束修正J-Δa阻力曲线簇,可用于任意约束试样以及实际含裂纹结构的延性断裂行为预测。

关键词：延性断裂行为 CIET试样裂尖约束效应 J-Q-M理论规则化法

基于SENT试样获取材料断裂韧度的载荷分离法研究

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机械工程学报 2014年第10期50卷 48-57页

作者：姚瑶蔡力勋包陈石凯凯西南交通大学力学与工程学院成都610031

单边裂纹拉伸(Single edged notched tension,SENT)试样因其低约束特性逐渐被用于管道材料的断裂韧度评定。根据有限元法,提出SENT试样的应力强度因子表达式,J积分计算中的增量塑性功算式以及塑性因子算式,并与文献中公式进行对比证实... 详细信息

单边裂纹拉伸(Single edged notched tension,SENT)试样因其低约束特性逐渐被用于管道材料的断裂韧度评定。根据有限元法,提出SENT试样的应力强度因子表达式,J积分计算中的增量塑性功算式以及塑性因子算式,并与文献中公式进行对比证实公式的精确性和有效性。依据ASTM用于CT试样获取断裂韧度载荷分离理论规则化方法提出适用于SENT试样的量纲一载荷分离法,并通过有限元计算证实SENT试样载荷分离的成立性。由量纲一载荷分离理论中的规则化方法完成了汽轮机低压转子材料30Cr2Ni4MoV、电站用P92管道钢以及5083-H112铝合金SENT试样断裂韧度值以及J阻力曲线测定,获得了各材料合理的J阻力曲线及条件断裂韧度JQ值。

关键词：断裂韧度 J阻力曲线单边裂纹拉伸试样量纲一载荷分离规则化法

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求解Ⅰ型裂纹构元J积分的半解析方法

力学学报 2018年第3期50卷 579-588页

作者：贺屹蔡力勋陈辉彭云强西南交通大学力学与工程学院应用力学与结构安全四川省重点实验室成都610031

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量.目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试... 详细信息

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量.目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务.以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是Ⅰ型裂纹试样的断裂韧性测试.本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种Ⅰ型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数.分析表明,6种Ⅰ型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好.新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值.应用新方法可便于获得各类Ⅰ型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.

关键词： J积分塑性断裂半解析公式能量等效假设 I型裂纹

超临界温度下Inconel 617B的力学行为

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机械强度 2018年第5期40卷 1078-1084页

作者：尹涛蔡力勋包陈西南交通大学应用力学与结构安全四川省重点实验室力学与工程学院成都610031

针对Inconel 617B合金,分别完成了常温、700℃下单轴拉伸试验和等幅应变疲劳试验。基于漏斗试样有限元辅助测试(Finite-element-analysis Aided Testing,FAT)新方法获得了Inconel 617B合金在两种温度下直至破坏的单轴拉伸真实应力-应变... 详细信息

针对Inconel 617B合金,分别完成了常温、700℃下单轴拉伸试验和等幅应变疲劳试验。基于漏斗试样有限元辅助测试(Finite-element-analysis Aided Testing,FAT)新方法获得了Inconel 617B合金在两种温度下直至破坏的单轴拉伸真实应力-应变试验关系,给出了材料临界破断应力、破断应变、应力应变描述新方程与参数;研究了两种温度下Inconel 617B合金的循环应力演化行为、循环本构关系、应变幅与寿命关系和超超临界服役温度效应。研究结果表明,超超临界温度使Inconel 617B合金的弹性模量、屈服强度、极限强度、临界破断应力、破断应变和试样颈缩后漏斗根部横截面中心点应力三轴度等力学性能降低显著;提出的真实应力-应变关系新方程对FAT获得的结果曲线描述良好;有限元辅助分析得出,试样漏斗根部横截面中心的应力三轴度最大,700℃下破断时最大应力三轴度远低于常温结果;Inconel617B合金在两种温度下均表现出明显的循环硬化特征,超超临界温度使得Inconel 617B合金的循环稳定寿命比例明显减小、抗疲劳性能显著降低;Manson-Coffin模型可良好描述两种温度下Inconel 617B合金的低周疲劳试验寿命结果。

关键词：超超临界温度 Inconel 617B 合金 FAT方法单轴拉伸低周疲劳