镍基单晶合金CT试样裂纹尖端应力结构及晶体滑移特性

 针对3种不同晶体取向（［001］,［011］,［111］）的镍基单晶合金DD3紧凑拉伸（CT）试样，利用考虑有限变形和晶格转动效应的率相关晶体滑移有限元程序对其裂纹尖端三维应力场进行了弹塑性模拟计算分析，深入考察了裂尖等效应力和滑移系分切应力分布以及滑移系激活规律，并对裂纹扩展路径进行了理论预测和试验研究。结果表明，裂纹尖端应力结构有较大的变化，呈现复杂的变化规律，对此试样的晶体取向有较大的影响；裂纹尖端自由表面形成具有特定矢量方向的滑移带，裂纹启裂和扩张途径与该滑移带有关，晶体学结构分析表明其特征敏感于晶体取向。裂纹尖端的等效应力、最大分切应力沿厚度方向分布均为在试样心部较为均匀，而在外表面处则下降较快，有限元计算和实验测定结果证实这两部分分别与试样断口上的纤维区和剪切唇区相对应。     

小表面裂纹应力强度因子的权函数解

 三维权函数法应用于平板表面裂纹问题,计算了含小表面裂纹(a/t≤0.2)的平板受远方拉伸及弯曲载荷下的应力强度因子,所提供的解答覆盖了疲劳断裂的研究及工程应用中所关心的小表面裂纹的范围。与文献中的有限元结果进行了广泛的比较,两者之间有极好的一致性。还研究了a/c→0时应力强度因子的极限情况。     

超声疲劳裂纹扩展性能的计算与分析

简述了超声疲劳试验机的工作原理以及应用超声疲劳试验技术研究工程结构材料疲劳裂纹扩展性能的实验方法。通过三维有限元计算及动态模态分析,研究了包括整体裂纹扩展试件及聚能器在内的振动体的应力、应变场和位移场,导出了确定裂纹尖端应力强度因子的位移法和能量法,并对这两种计算分析方法的特点以及所得到的结果进行了分析对比。计算与分析结果表明,应用能量法研究超声疲劳载荷下的裂纹尖端应力强度因子及疲劳裂纹扩展性能,具有简明和计算精度高等突出优点。      

基于三维裂纹尖端应力场的应力强度因子计算方法

提出一种基于无限大体裂纹尖端弹性应力场理论解的前几项多项式函数,对实际裂纹体弹性应力场有限元解进行拟合来计算应力强度因子的方法.该方法在计算应力强度因子时不需要预先假设裂纹尖端的应力应变状态,应力强度因子计算结果更符合三维裂纹体裂纹尖端实际的应力应变状态.首先基于二维无限大板中心穿透裂纹应力场理论解验证了方法的有效性,探讨了拟合确定应力强度因子需要的多项式应力函数的项数.然后分别以二维大板中心穿透裂纹、三维大体内埋圆裂纹和三维有限厚板中心穿透裂纹的应力强度因子计算为例,通过与无限大板和无限大体应力强度因子理论解以及基于位移外推法和1/4节点张开位移法的应力强度因子有限元解的对比分析,验证了该方法的有效性和合理性.研究表明该方法能够合理反映三维裂纹体裂纹尖端的实际应力应变状态,计算得到的应力强度因子数值更合理.      

双材料界面裂纹应力强度因子的无网格分析

应用改进的无网格方法对双材料界面裂纹进行了分析,积分区域采用基于节点的Voronoi图,通过在裂纹尖端加密节点提高位移场的计算精度,采用位移外插法确定出应力强度因子,避免了应力场的奇异性和振荡性。本文对由环氧树脂和铝 环氧树脂组成的双材料进行分析,对比了均匀离散、均匀细化和局部细化三种不同模型,通过与光弹性实验结果比较可知,采用裂纹尖端局部细化的模型计算量低并且计算效果好,其计算结果与实验结果基本吻合。     

干涉预拉伸应力释放对三维裂纹尖端应力强度因子的影响

以干涉孔三维裂纹为讨论对象，应用ANSYS大型工程有限元计算软件，对孔边干涉结构进行分析计算。将干涉预拉伸应力考虑为内部载荷，分别对不同裂纹长度下的含裂纹体进行干涉计算，在不同的干涉状态下直接求解应力强度因子，以此等效地模拟裂纹扩展过程中干涉预拉伸应力释放时应力强度因子的求解。通过计算分析，给出了考虑干涉预拉伸应力释放情况裂纹尖端的应力强度因子，随裂纹长度及模型厚度的改变趋势和规律，并与不考虑干涉预应力释放的情况下，裂纹尖端的应力强度因子进行对比分析。     

数字图像相关方法测量芳纶纤维复合材料I型裂纹应力强度因子

将数字图像相关方法用于芳纶纤维复合材料单边裂纹在拉伸载荷作用下的断裂问题研究。介绍数字图像相关方法的基本原理,建立数字图像相关方法中位移场与裂纹尖端应力强度因子之间的关系。通过搭建数字图像相关方法光学非接触测量系统,试验表征含单边裂纹芳纶纤维复合材料试验件在拉伸载荷作用下的全场位移。由数字图像相关方法所得位移场提取不同载荷作用下裂纹尖端应力强度因子,并分析最小二乘拟合项数、数字图像相关计算子区域和步长大小对计算结果的影响。结果表明,增加最小二乘拟合项次和合理选择数字图像相关计算子区域和步长大小可以提高应力强度因子计算精度。     

镍基高温合金紧凑拉伸试样侧槽优选研究及试验

为了获得平直的紧凑拉伸(Compact Tension,CT)试件裂纹扩展前缘,对带侧槽CT试样的侧槽进行参数化表征,采用有限元方法研究侧槽对裂纹尖端应力强度因子的影响规律,对CT试样的侧槽进行优选。获得了使CT试样裂纹尖端应力强度因子沿厚度方向方差小于0.1(MPa·m1/2)2的侧槽形状。与标准CT试件裂纹扩展试验对比,结果表明,优选的带侧槽CT试件沿厚度方向裂纹扩展更为均匀,方差为标准CT试件的30%。为了研究电位法经验公式计算带侧槽CT试样裂纹长度的适用性,进行了对比分析。结果表明,对于带侧槽CT试件,利用非线性公式计算的裂纹长度与试验结果误差最小,不超过0.7%。优选侧槽CT试样裂纹扩展更平直;电位法测量带侧槽CT试件裂纹长度,非线性公式计算裂纹长度的误差更小。     

表面裂纹的分区混合元分析

 本文对三维体表面裂纹问题进行分析,应用应力和位移的渐近解在表面裂纹区域构造一个奇异应力单元,采用分区混合有限元法计算裂纹顶端各个位置的应力强度因子。     

新增表面等效作用力模拟固体推进剂裂纹动态扩展

固体推进剂作为线粘弹性材料在裂纹扩展过程中,外力和体力对体系作功的同时,材料的粘性内耗散和断裂表面能释放使体系能量降低。将裂纹扩展新增表面上等效作用力的概念引进有限元中,计算裂纹扩展过程中的应力强度因子和断裂表面能释放对体系应力应变场的影响,从而使得有限元可以模拟计算固体推进剂裂纹的动态扩展过程,解决了固体推进剂非定常燃烧扩展模拟中的难题。     

金属材料疲劳短裂纹扩展研究综述

本文论述了近几十年来国内外关于疲劳短裂纹的一些理论模型和实验现象等;重点研究了短裂纹的"V"型扩展规律及其特有的非扩展裂纹行为;通过各种不同复杂程度的理论模型,说明了短裂纹"V"型扩展规律,并给出了非扩展裂纹的计算方法;通过试验方法,分析了物件的形式、缺口塑性区、微观结构和试验环境等因素对短裂纹的"V"型扩展规律和非扩展裂纹行为的影响。     

幂硬化材料平面应力裂纹稳定扩展的有限元模拟

对幂硬化材料中平面应力Ⅰ型裂纹的稳定扩展进行了有限元模拟。计算中采用了逐步释放裂尖节点力法和子结构方法并配合裂尖附近高密度的网格划分,获得了有关裂尖应力变形场、塑性区尺寸、裂纹开口位移、裂纹扩展阻力等大量资料。计算结果还证实了部分已有的裂尖场渐近解。     

基于能量模型的三维穿透裂纹扩展研究

利用能量释放率与应力强度因子的关系,给出了裂纹尖端的有效能量释放率;裂纹稳定扩展时有效能量释放率恰好等于裂纹扩展阻力,利用裂纹尖端前沿各点的有效能量释放率相等关系,提出了一种基于能量模型的三维穿透裂纹扩展形貌计算方法,可以计算不同厚度试样的三维穿透裂纹扩展形貌,并通过不同厚度单侧裂纹板的有限元仿真计算和试验进行了验证.仿真与试验结果表明:利用基于能量模型的三维穿透裂纹扩展形貌计算方法可以确定三维结构的裂纹扩展形貌;随着单侧裂纹板厚度的增加,裂纹尖端“隧道效应”消失,裂纹扩展形貌转变为“马鞍”形;试样自由面处的裂纹扩展速率要小于中面处的裂纹扩展速率.      

A theoretical model of semi-elliptic surface crack growth

A theoretical model of semi-elliptic surface crack growth based on the low cycle strain damage accumulation near the crack tip along the cracking direction and the Newman–Raju formula is developed. The crack is regarded as a sharp notch with a small curvature radius and the process zone is assumed to be the size of cyclic plastic zone. The modified Hutchinson, Rice and Rosengren(HRR) formulations are used in the presented study. Assuming that the shape of surface crack front is controlled by two critical points: the deepest point and the surface point.The theoretical model is applied to semi-elliptic surface cracked Al 7075-T6 alloy plate under cyclic loading, and five different initial crack shapes are discussed in present study. Good agreement between experimental and theoretical results is obtained.     

FGH97粉末高温合金缺口试样小裂纹闭合特性数值模拟

采用有限元方法研究了FGH97粉末高温合金缺口试样小裂纹的塑性诱导裂纹闭合效应,分析了网格单元尺寸、缺口形式及外载大小、应力比和本构模型对裂纹闭合的影响,同时采用Walker公式计算裂纹扩展速率,并和试验结果进行对比以考察有限元方法的准确性。结果表明:当前塑性区尺寸大于10倍裂纹尖端网格单元尺寸时,裂纹闭合程度会趋于收敛;缺口形式在裂纹闭合未稳定前会产生影响,外载荷将决定闭合程度的稳定值;应力比的增大会降低裂纹闭合程度直至消失;相对于理想弹塑性本构模型,多线性弹塑性本构模型对网格的依赖性较低。缺口试样小裂纹扩展试验结果表明:考虑裂纹闭合效应之后,裂纹扩展速率计算结果与试验符合良好。      

动态扩展裂纹的热-弹塑性耦合分析

以弹塑性扩展裂纹的裂尖参数为研究对象,对快速扩展的裂纹问题进行了细致的分析。首先建立了经验的应变率以及热 -弹塑性耦合的材料本构关系,完善了增量路径无关积分参数 T*的数值计算。通过与 J积分的比较,给出了两种积分参数在不同扩展速度、是否考虑热和应变率影响等情况下的变化规律,说明了T*积分用于快速扩展裂纹的合理性和优越性。在裂尖场的讨论中,重点分析了裂尖应力、应变、应力三轴度和塑性区的演化发展过程,发现了快速扩展裂纹塑性区发展非单调的有趣现象,并且获得了应力三轴度可以作为裂纹扩展过程控制参数的基本结论。     

广义有限元法计算飞机开口裂纹应力强度因子

机身开口圆角损伤可能逐渐形成裂纹从而严重影响飞机使用安全,为此对圆角裂纹进行剩余强度估算显得十分重要。使用Williams位移场广义有限元法进行裂尖单元加强,并对裂尖区域应用放射形网格划分技术,编写广义有限元法的MATLAB程序,研究并计算飞机舱门开口圆角裂纹的应力强度因子。结果表明：在裂纹分析上,广义有限元法较常规有限元法具有更好的适应性和更高的精度。     

凡士林油膜对疲劳裂纹扩展的影响

 最近国外发展了用粘接修补裂纹的新方法并已获得一些成功的应用。本文通过试验研究,提出了一条维修裂纹的新途径。很可能由此发展出一种与现有维修方法不同,简单且有效地裂纹现场维修的新方法。 2.疲劳裂纹扩展对比试验 对比试验分两组在室温、空气中,MTS810电液伺服材料试验机上进行。 第一组用由20mm工业16Mn钢板制成的中心裂纹试样（图1（a））,应力比0.05。     

Comparative study between crack closure model and Willenborg model for fatigue prediction under overload effects

A comparative study is performed between a crack closure model and the Willenborg model, which can calculate the fatigue crack growth rate under the overload effects. The modified virtual crack annealing (VCA) model is briefly reviewed, which is based on the equivalent plastic zone concept. In this method, the retardation phenomenon is explained by the crack closure level variation, which is derived from the interactions between forward and reverse plastic zones ahead of the crack tip. As a comparison, the Forman equation in conjunction with the Willenborg model is also reviewed. The retardation phenomenon is described by directly modifying the stress intensity factor. It is known that the large plastic zone created by the overload can decelerate the fatigue crack growth rate until the crack grows beyond this region. A relationship between the plastic zone and the modified stress intensity factor is developed, which is a mathematical fitting equation instead of physical-based formulation. The experimental data in aluminum alloys are used to val-idate these two models. Overall, good agreement is observed between the model predictions and the testing data. It is noted that the approach based on modified VCA model can give more accurate prediction curves than the Willenborg model.     

A new method to predict fatigue crack growth rate of materials based on average cyclic plasticity strain damage accumulation

By introducing a fatigue blunting factor, the cyclic elasto-plastic Hutchinson-Rice-Rosengren (HRR) field near the crack tip under the cyclic loading is modified. And, an average damage per loading-cycle in the cyclic plastic deformation region is defined due to Manson-Coffin law. Then, according to the linear damage accumulation theory-Miner law, a new model for predicting the fatigue crack growth (FCG) of the opening mode crack based on the low cycle fatigue (LCF) damage is set up. The step length of crack propagation is assumed to be the size of cyclic plastic zone. It is clear that every parameter of the new model has clearly physical meaning which does not need any human debugging. Based on the LCF test data, the FCG predictions given by the new model are consistent with the FCG test results of Cr2Ni2MoV and X12CrMoWVNbN 10-1-1. What’s more, referring to the relative researches, the good predictability of the new model is also proved on six kinds of materials.