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复合型裂纹的扩展路径模拟及疲劳寿命预测

哈尔滨工程大学学报 2015年第8期36卷 1086-1091页

作者：王建明刘伟吕鹤婷山东大学机械工程学院山东济南250061 山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室山东济南250061

针对二维裂纹稳态扩展,基于位移外推,通过最小二乘法拟合得到应力强度因子数值计算方法;利用最大周向应力准则判断裂纹扩展方向,并得到作为裂纹失稳扩展判据的等效应力强度因子;通过Paris准则得到疲劳寿命预测数值方法。基于ANSYS软件平... 详细信息

针对二维裂纹稳态扩展,基于位移外推,通过最小二乘法拟合得到应力强度因子数值计算方法;利用最大周向应力准则判断裂纹扩展方向,并得到作为裂纹失稳扩展判据的等效应力强度因子;通过Paris准则得到疲劳寿命预测数值方法。基于ANSYS软件平台,根据上述理论通过APDL编程建立了裂纹扩展路径模拟及疲劳寿命预测模型。该模型可根据裂尖位置进行参数化建模及网格自动划分。将3个典型算例仿真结果与相应解析解或实验结果进行比较,验证了该方法的正确性,为裂纹扩展路径模拟及疲劳寿命预测提供了一种有效的技术手段。

关键词：位移外推法应力强度因子裂纹扩展路径疲劳寿命有限元法

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铝/钢爆炸焊复合板界面裂纹的扩展路径

兰州理工大学学报 2016年第5期42卷 163-166页

作者：李有堂李浩勇宋鸣兰州理工大学机电工程学院甘肃兰州730050

以双向受均匀拉伸的铝/钢爆炸焊复合板为研究对象,采用应变能密度因子理论,分析表面对称中心的Ⅰ型裂纹扩展到复合板结合处时的扩展方向,讨论泊松比μ和裂纹尺寸对裂纹扩展路径的影响.结果表明:双向受均匀拉伸的铝/钢爆炸焊复合板中垂... 详细信息

以双向受均匀拉伸的铝/钢爆炸焊复合板为研究对象,采用应变能密度因子理论,分析表面对称中心的Ⅰ型裂纹扩展到复合板结合处时的扩展方向,讨论泊松比μ和裂纹尺寸对裂纹扩展路径的影响.结果表明:双向受均匀拉伸的铝/钢爆炸焊复合板中垂直于表面对称中心的Ⅰ型裂纹扩展到复合板结合处时,其扩展方向存在两种可能,一是裂纹继续沿着垂直于复合板结合处的方向扩展,二是裂纹扩展方向发生改变,沿着平行于复合板结合处的方向扩展,对此起决定性作用的是铝/钢爆炸焊复合板结合处熔化层材料的泊松比μ,并且当|μ-0.25|越大,复合板的板宽w越小、裂纹长度a越大,这种作用就越明显.

关键词：爆炸焊复合板界面融化层裂纹扩展路径泊松比

船海结构物疲劳热点裂纹应力强度因子及其扩展路径预报方法研究

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船海结构物疲劳热点裂纹应力强度因子及其扩展路径预报方法研究

作者：刘帆上海交通大学

学位级别：硕士

船舶和海洋平台作为大型焊接结构,由于受海上复杂风浪载荷作用,其疲劳热点处的应力场复杂多变。为了预报含裂纹结构的剩余寿命,必须精确计算复杂应力场中裂纹扩展路径和应力强度因子。本文对船舶与海洋工程结构中的疲劳热点结构形式进... 详细信息

船舶和海洋平台作为大型焊接结构,由于受海上复杂风浪载荷作用,其疲劳热点处的应力场复杂多变。为了预报含裂纹结构的剩余寿命,必须精确计算复杂应力场中裂纹扩展路径和应力强度因子。本文对船舶与海洋工程结构中的疲劳热点结构形式进行了研究,总结了求解典型节点应力强度子的方法。研究了复杂应力场中的裂纹扩展路径以及残余应力和结构冗余对裂纹扩展路径的影响。主要内容总结如下:(1)将CCS在规范中规定的疲劳评估节点分为四类,分别使用三维有限元方法求解第一类、第二类、第三类节点的应力强度因子修正系数并和BS7910公式对比。结果表明:第一类节点与BS7910公式吻合良好;第二类节点裂纹在趾端范围内时应力强度因子修正系数较BS7910公式大,超过趾端范围内时,应力强度因子修正系数发生突变快速下降并逐渐趋近于1;第三类节点裂纹应力强度因子修正系数在整个范围内较BS7910公式大。且第二类节点、第三类节点裂纹应力强度因子修正系数和BS7910公式结果相差都较大。为此,分别对第二、三类节点提出了各自的修正公式,它们和有限元计算结果吻合良好。(2)定义了描述Y型管节点的坐标系统,通过空间坐标方程的求解得出了相贯线方程在不同坐标系下的表达,然后针对焊趾带来的厚度变化对相贯线方程进行修正。基于对上述Y型管节点几何特性的研究,考虑到变换后网格协调和管壁厚所带来的影响,给出了相贯线方程的具体坐标变换方法,并分别使用坐标变换方法建立了主管、支管和裂纹块模型。最后将各部分模型装配起来,得到了含裂纹的Y型管节点有限元模型。并以此为基础开发了含裂纹的Y型管节点自动建模程序。(3)在对裂纹扩展数值模拟方法及相关准则的研究基础之上编写了复杂应力场中单边裂纹扩展计算程序,分别采用三种不同的裂纹扩展方向准则来模拟裂纹扩展方向,模拟结果和实验结果对比表明,两者相差很小。选择了舱口角隅和肘板这两种典型船舶构件,通过改变作用在两个主方向上的载荷大小之比(载荷比),模拟复杂载荷对于裂纹扩展路径和寿命的影响。结果表明,角隅上的裂纹对载荷比变化不敏感,而肘板上的裂纹对载荷比变化非常敏感。(4)在对残余应力场中I、II型裂纹应力强度因子计算方法研究的基础上,将焊接残余应力场中裂纹应力强度因子计算引入疲劳裂纹扩展程序,计算了焊接残余应力场中的疲劳裂纹扩展路径以及扩展寿命,计算结果和实验结果较为接近。为了将疲劳裂纹扩展计算引入大型船舶结构中并考虑结构冗余的影响,本文分别使用了子模型技术和子结构技术进行计算;计算结果表明,二者均可用于冗余结构的疲劳裂纹扩展预报,其中子结构技术不仅更加准确,而且计算效率也比子模型技术高。

关键词：船舶与海洋工程结构应力强度因子裂纹扩展路径疲劳寿命典型接头 Y型管节点焊接残余应力结构冗余

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疲劳裂纹亚临界扩展路径的预估和实验研究

应用力学学报 1987年第1期 81-86+80-114页

作者：洪烈君刘克改上海交通大学

本文根据线弹性断裂力学复合型裂纹扩展的原理,应用数值计算方法预估了船体仓口甲板模型疲劳裂纹亚临界扩展的路径,并进行了实验验证。结果表明:疲劳裂纹亚临界扩展的路径可以用线弹性断裂力学复合型裂纹扩展方向来预估,当构件承受的最... 详细信息

本文根据线弹性断裂力学复合型裂纹扩展的原理,应用数值计算方法预估了船体仓口甲板模型疲劳裂纹亚临界扩展的路径,并进行了实验验证。结果表明:疲劳裂纹亚临界扩展的路径可以用线弹性断裂力学复合型裂纹扩展方向来预估,当构件承受的最大名义应力小于0.6δ时,预估得到的裂纹扩展路径与实验结果符合得相当好。

关键词：亚临界扩展线弹性断裂力学仓口脆性断裂力学复合型裂纹裂纹扩展路径应变能密度因子疲劳裂纹裂纹长度实验研究

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TC17 钛合金疲劳裂纹扩展速率

稀有金属材料与工程 2022年第11期51卷 4358-4362页

作者：郭萍张菁丽强菲辛社伟西北有色金属研究院陕西西安710016

研究了显微组织形态对TC17钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响,并结合裂纹扩展路径进行了分析。结果表明,对于TC17合金,在裂纹扩展的第Ⅰ阶段和第Ⅲ阶段,等轴组织随着固溶温度的升高,扩展速率加快,显微组织对中速区的裂纹扩展速率影响不大;对... 详细信息

研究了显微组织形态对TC17钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响,并结合裂纹扩展路径进行了分析。结果表明,对于TC17合金,在裂纹扩展的第Ⅰ阶段和第Ⅲ阶段,等轴组织随着固溶温度的升高,扩展速率加快,显微组织对中速区的裂纹扩展速率影响不大;对2种片层组织结构的裂纹扩展速率分析结果表明,仅固溶态的组织在裂纹扩展的整个阶段具有较低的裂纹扩展速率,并且起裂区对应较高的应力强度因子,裂纹在固溶态组织中的扩展路径较固溶时效态的曲折。

关键词： TC17钛合金疲劳裂纹扩展速率裂纹扩展路径

镍基单晶合金紧凑拉伸试样高温断裂特性的实验研究

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材料工程 2007年第12期35卷 15-20页

作者：温志勋岳珠峰朱振涛西北工业大学工程力学系西安710072

采用紧凑拉伸(CT)试样对三种晶体取向[001],[011],[111]的镍基单晶合金DD3在950,850℃和760℃下的拉伸以及950℃时的蠕变和疲劳性能进行了实验研究。应用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)分别对单晶体裂纹扩展路径和断口表面进行了... 详细信息

采用紧凑拉伸(CT)试样对三种晶体取向[001],[011],[111]的镍基单晶合金DD3在950,850℃和760℃下的拉伸以及950℃时的蠕变和疲劳性能进行了实验研究。应用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)分别对单晶体裂纹扩展路径和断口表面进行了观察和分析。拉伸实验结果表明:单晶体裂纹扩展路径沿着特定的晶体学矢量方向扩展而在试样自由表明呈现Z字型外观,其扩展方向及形状取决于晶体取向。温度对试样的断裂形式影响较为显著,760℃时的断裂特征为剪切型脆性断裂,断裂平面为沿滑移面的光滑斜断口;950℃下试样断裂逐渐转变为微孔聚集型韧性断裂,断口由粗糙的剪切唇和纤维区构成。蠕变和疲劳实验结果表明:镍基单晶具有明显的蠕变和疲劳性能各向异性,蠕变寿命以[011],[111],[001]顺序依次减小,疲劳寿命以[111],[011],[001]顺序依次减小;蠕变及疲劳裂纹扩展路径均与加载方向垂直,断裂表面均为光滑的平断口。试样断口细观分析显示,蠕变试样断口由杯锥状韧窝组成,而疲劳试样断口则由疲劳裂纹组成。疲劳损伤比蠕变损伤更有利于裂纹的扩展。

关键词：单晶体 CT试样裂纹扩展路径

CTS试样偏折裂纹应力强度因子研究（英文）

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船舶力学 2018年第12期22卷 1527-1539页

作者：黄如旭万正权中国船舶科学研究中心江苏无锡214082 深海载人装备国家重点实验室江苏无锡214082

采用CTS试样研究Ⅰ/Ⅱ混合型断裂特性计算裂纹前缘应力强度因子时可采用解析公式,一旦裂纹发生扩展,解析公式便不再适用。文中采用有限元法研究紧凑拉伸剪切(CTS)试样在Ⅰ/Ⅱ平面混合型加载下的裂纹扩展行为。采用ANSYS建立CTS试样Ⅰ/... 详细信息

采用CTS试样研究Ⅰ/Ⅱ混合型断裂特性计算裂纹前缘应力强度因子时可采用解析公式,一旦裂纹发生扩展,解析公式便不再适用。文中采用有限元法研究紧凑拉伸剪切(CTS)试样在Ⅰ/Ⅱ平面混合型加载下的裂纹扩展行为。采用ANSYS建立CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型测试系统有限元模型,为模拟真实受力状态,在CTS试样—销—扇型夹具以及扇型夹具—销—U型夹具之间分别建立接触对进行接触力学分析。通过与解析公式结果进行对比验证了该数值方法的可靠性,采用最大环向应力准则(MTS),模拟了CTS试样不同加载角度下的裂纹扩展路径,获得了裂纹扩展路径中应力强度因子随裂纹长度的变化曲线,解释了裂纹扩展路径不与外载荷方向垂直的原因,并给出了CTS试样偏折裂纹应力强度因子解析公式。

关键词：断裂 Ⅰ/Ⅱ混合型紧凑拉伸剪切试样裂纹扩展路径应力强度因子

泡沫夹芯复合材料梁界面裂纹曲折扩展实验与数值模拟

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复合材料学报 2012年第1期29卷 129-135页

作者：王灿陈浩然大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116023

采用双悬臂梁(DCB)试验研究了具有不同密度的PMI泡沫芯体的玻璃纤维增强复合材料夹芯梁界面裂纹曲折破坏路径。基于包含裂纹的物质点算法(MPM),建立了与试验研究相适应的MPM模型,在不同的面板/芯体模量比下计算了界面裂纹裂尖模态比和... 详细信息

采用双悬臂梁(DCB)试验研究了具有不同密度的PMI泡沫芯体的玻璃纤维增强复合材料夹芯梁界面裂纹曲折破坏路径。基于包含裂纹的物质点算法(MPM),建立了与试验研究相适应的MPM模型,在不同的面板/芯体模量比下计算了界面裂纹裂尖模态比和曲折破坏角,并结合曲折破坏准则模拟了界面裂纹曲折破坏路径。数值模拟结果和试验现象吻合良好,说明了本文中数值分析模型和方法的有效性。研究结果表明,面板材料和芯体材料模量失配越严重,界面裂纹发生曲折破坏时的破坏角越大;裂纹折入芯体后,在Ⅰ型为主的加载模式的支配下以基本平行于界面的方向扩展。

关键词：复合材料夹芯梁界面断裂曲折破坏裂纹扩展路径物质点方法

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低温冲击环境下的加筋板骨材裂纹扩展分析

哈尔滨工程大学学报 2017年第4期38卷 521-526页

作者：李恒杨飏大连理工大学船舶工程学院辽宁大连116024

针对低温冲击作用下含裂纹船海结构物易呈脆性断裂破坏的问题,选取加筋板单元进行了面外横向冲击载荷作用下裂纹发展路径和断裂规律的研究。构造了骨材裂纹I型和I-II复合型动态断裂的条件,使用局部应力与损伤模型控制裂纹起裂和发展;采... 详细信息

针对低温冲击作用下含裂纹船海结构物易呈脆性断裂破坏的问题,选取加筋板单元进行了面外横向冲击载荷作用下裂纹发展路径和断裂规律的研究。构造了骨材裂纹I型和I-II复合型动态断裂的条件,使用局部应力与损伤模型控制裂纹起裂和发展;采用扩展有限单元法进行数值求解。研究表明:本文方法可以很好的预测此类问题中的裂纹发展;研究I型开裂发现,断裂能减小,裂纹扩展速度加快;研究I-II复合型开裂发现,裂纹与骨材垂向中心线距离减小或初始长度增加,裂纹起裂时间变早且整体发展路径偏离裂尖初始方向程度减小。

关键词：初始裂纹加筋板低温环境横向冲击动态断裂能裂纹扩展路径局部分析方法