微小裂纹的发生与扩展

本文对微小表面裂纹的发生与扩展进行了研究。 1.微小裂纹的发生,60％以上发生于晶界。当应力值高时,裂纹扩展穿入晶内,应力值低时,裂纹沿晶界扩展。 2.现有以应力强度因子变程△K作为控制参数的宏观裂纹扩展速率公式,均不适用于微小裂纹(2c=0.02～0.8mm)。本文提出的下列微小裂纹扩展速率公式,与实验结果相当一致。 dc/dN=C_2·σ~n·c式中,C_2和n为材料常数。     

航空重载面齿轮三维裂纹分析与疲劳寿命预测

针对应用于航空重载传动的面齿轮寿命难以预测,分析其裂纹萌生和扩展过程以及相应的寿命.根据材料应变-寿命关系,利用MSC.Fatigue进行裂纹萌生仿真,分析不同负载扭矩、表面粗糙度、表面处理工艺下裂纹萌生寿命的变化规律;根据线性断裂力学理论,借助于Franc3D模拟裂纹扩展过程,直至满足断裂准则,由应力强度因子历程确定裂纹扩展寿命.最终获得面齿轮在不同表面粗糙度、表面处理工艺下的疲劳寿命曲线,实现面齿轮疲劳寿命的预测.      

水平井多裂纹同步扩展的偏折分析

水平井压裂技术是近几年油气工业发展起来的新技术,用于提高油气井的产量。然而在裂纹扩展的过程中,裂尖决定了裂纹的起裂与扩展方向,这会直接影响储层的压裂效果,所以人们对于这项技术还需要更进一步的认识。根据裂尖的应力场特性建立了裂尖权函数,能较准确地描述裂尖的应力状态,判断裂纹的扩展方向。在利用网格重剖分方法并结合最大主应力准则对水平井多裂纹扩展进行分析的基础上,通过裂尖权函数方法分析了水压裂纹在应力差、裂纹数目和裂纹间距等条件下产生偏折的原因。最终结果表明,裂纹在开裂时裂尖处x与y方向的等效应力变化不明显,裂纹的偏折主要与裂尖xy方向的等效应力有关。      

复杂应力状态下多晶体亚微观强度

本文提出了有关多晶体材料的晶粒中应变分布的试验和计算的方法。为此目的,专门设计了微观复杂应力试验机。试件有两种:光滑及有预制裂纹的铝合金(LY12)薄壁筒。在各种不同载荷条件下得出了多晶体的晶粒中的主应变曲线。本文还提出多晶体屈服准则。裂纹前端的应变分布证明用dε/dN标定ΔK_(th)要比用da/dN更准确。 由本文可得出另一有意义的结论:既使在一维加载情况下,晶粒中也有二维应变状态。这一事实对于裂纹的生成、扩展和多晶体强度的进一步研究都是重要的。     

燕尾榫连接结构微动疲劳全寿命预测方法

微动损伤使航空发动机榫连接结构疲劳寿命显著降低。以钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构为例，提出一种适用于复杂结构微动疲劳全寿命预测方法。基于修正的Manson-McKnight方法和多轴疲劳理论，疲劳损伤参数由等效应力参数（ESP）表征，微动疲劳裂纹萌生位置和成核寿命通过有限元分析（FEA）和ESP预测。基于断裂力学理论和最大周向应力准则，提出微动疲劳裂纹扩展数值模拟方法，建立微动疲劳扩展寿命与裂纹长度函数关系，依据裂纹终值长度预测微动疲劳扩展寿命。结果显示:钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构微动疲劳裂纹扩展角预测值与实验值均为18°，裂纹生长方向预测值与实验值相符；微动疲劳全寿命（成核寿命+扩展寿命）预测值在实验值的2倍分散带内；最大拉伸载荷对榫连接结构的微动疲劳全寿命影响显著，在相同应力比下，最大拉伸载荷从18 kN变化到24 kN，钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构微动疲劳全寿命降低1个数量级。      

高强度铝合金小裂纹疲劳扩展规律研究

考虑了高强度铝合金表面局部塑性变形特点，并引入小裂纹尖端屈服应力的渐变规律，分析了裂纹尖端屈服应力的这种变动对裂纹张开应力变动规律的影响，同时它还与Ｔ应力共同作用使得线弹性断裂力学不再适用于预测小裂纹尖端塑性区。据此可以解释小裂纹扩展的规律，并与高强度铝合金的实验结果基本吻合。     

2195-T8铝锂合金疲劳多裂纹融合试验与仿真研究

铝锂合金作为航空航天广泛应用的合金材料,其疲劳断裂行为的研究对结构安全性评价具有重要意义。以第三代铝锂合金2195-T8为研究对象,通过恒幅拉-拉疲劳试验和有限元方法对2195-T8铝锂合金疲劳裂纹扩展行为进行试验与仿真研究。基于断面显微测量与观察,在仿真模型中引入多个初始裂纹,模拟多裂纹的融合扩展过程,获得多裂纹独自扩展、交融时扩展和融合后扩展的规律。结果表明：裂纹融合前,在疲劳循环载荷作用下,裂纹尖端应力强度因子总体上不断增大,塑性区域体积增加区域平缓;当裂纹相互融合时,裂纹面处应力强度因子瞬时增大,远高于其余裂尖数值大小;随着裂纹进一步融合,尖端应力强度因子数值趋于平稳;裂纹完全融合后,到达裂纹快速扩展阶段,塑性区域体积与扩展步数呈正比增加,扩展速率呈现先快后慢的规律,裂纹面交汇融合成新的椭圆形状裂纹面。     

耐久性分析相对小裂纹扩展速率公式的参数确定方法

结构细节相对小裂纹扩展速率公式是采用概率断裂力学方法进行结构耐久性分析的关键。针对目前需进行多个应力水平下的成组疲劳试验以确定相对小裂纹扩展速率公式适用范围和参数的问题,首先,通过将应力强度因子修正系数展开为多项式,基于材料稳定裂纹扩展段的裂纹扩展速率公式得到了耐久性分析的相对小裂纹扩展速率公式。然后,以受远场均匀拉伸载荷作用的中心圆孔板为对象,分别基于应力强度因子近似解和FRANC3D软件进行裂纹扩展分析,得到相对小裂纹尺寸范围及对应裂纹扩展参数的确定方法。最后,进行了3种试件在等幅交变应力下的耐久性试验,验证了该方法的正确性。      

加劲板复合型疲劳裂纹扩展寿命的一种简化计算方法

根据对试验数据的分析和理论分析的结果,假定了复合型疲劳裂纹拐弯后的扩展路径为一与载荷轴夹角为84°的直线。然后应用建立在最大主应力准则上的等效应力强度因子,计算裂纹扩展寿命,与试验结果对比,说明提出的计算模型是可行的。     

湿热环境中含脱层复合材料层合板的界面裂纹扩展

处于恶劣湿热环境中的复合材料层合结构,受湿热残余应变和残余应力的作用,易产生局部屈曲和分层扩展。考虑湿热效应和脱层间接触效应的影响,对含脱层复合材料中厚板的非线性屈曲和界面裂纹扩展行为进行了理论分析。基于可动边界变分原理,建立层合板在湿-热-力载荷作用下的总势能,并推导出非线性后屈曲控制方程和脱层扩展能量释放率。应用摄动法和Galerkin法求解控制方程,获得以面内压缩载荷-挠度曲线为特征的含脱层复合材料层合板的后屈曲路径。根据求得的后屈曲解及Griffith断裂准则,确定脱层扩展临界压力的理论解。通过开发MATLAB程序,综合讨论了脱层尺寸、湿热环境对脱层复合材料层合板屈曲和扩展载荷的影响。研究结果与ABAQUS有限元解和经典理论解进行比较,验证了理论分析的有效性。结果表明:湿热环境会显著降低脱层复合材料层合板的屈曲载荷和扩展载荷。此外,忽略复合材料层合板的横向剪切应变将导致对层合板承载能力的高估。      

表面裂纹应力强度因子工程计算方法

本文通过对表面裂纹应力强度因子计算和工程应用,提出一种工程上适用的计算方法。此方法可适用于拉伸载荷、弯曲载荷和拉弯组合载荷作用下有限板上的表面裂纹。表面裂纹的深度和板厚比为0.1～0.9;深度和长度比为0.7～2.0。同时考虑了有限宽度对应力强度因子的影响。     

蠕脆性材料的高温稳态裂纹扩展研究

推导了相似准则Ｒｅｃ，其描述了稳态扩展的蠕脆性理解尖变形奇异场，由７１８合金的蠕脆性理解纹扩展试验结果得到准则关联式，从而得到蠕脆性裂纹稳态扩展的速率公式，用扫描电子显微镜研究了蠕脆性裂纹稳态扩展的微观机理。     

304不锈钢的应力腐蚀断裂

用慢应变速率技术研究了敏化的304不锈钢在氧饱和的NaCl溶液中的应力腐蚀断裂(SCC)行为以及浓度、温度和电位的影响。结果表明,在90℃1000ppmNaCl溶液中,在5.5×10~(-6)s~(-1)应变速率下,电位大于-0.5V(相对于SCE,下同)有应力腐蚀敏感性。随着应变速率提高、浓度减小或温度降低,断裂电位范围移向较正的电位(-0.2V以上)。在较慢的应变速率下,在-0.5～-0.2V产生单裂纹;高于-0.2V对于所用的两种应变速率都产生多裂纹;低于-0.6V未发现裂纹。该体系的自腐蚀电位在-0.25V附近,处于SCC敏感区。恒电位下动态应变试验中电流增量与平均裂纹速度在双对数座标上呈正比关系,表明该体系的沿晶SCC本质上受溶解控制。     

湿热对单向复合材料层板断裂韧性及疲劳裂纹扩展的影响

就湿热(70℃,相对湿度RH100％)环境对T300/914C石墨/环氧单向复合材料层板层间断裂韧性的影响进行了研究。用扫描电镜对断口形貌进行观察,不论是湿热处理的或是室温放置和经干燥处理的,断口形貌无明显差异。我们还对上述DCB试样在交变载荷作用下裂纹的扩展行为进行了研究。找出了裂纹扩展速率da/dN与最大循环应变能释放率G_(Imax)关系式da/dN=A·G_(Imax)~B中的A和B两个常数的数值。经湿热处理的DCB试样疲劳裂纹扩展速率与干燥试样相比有所降低。我们分别用断口形貌、断裂机理和断裂力学原理分析了湿热环境对复合材料性能的影响。     

双剪连接件及双耳连接耳片疲劳寿命估算的逐次累计求和算法

为了研究复杂连接件疲劳失效机理和估算其裂纹形成和扩展寿命,在双剪连接件和双耳连接耳片疲劳试验的基础上,首先,通过扫描电子显微镜（SEM）分析,研究了其破坏模式和机理,并利用断口定量反推技术判读了疲劳裂纹形成与扩展寿命。然后,根据应力严重系数法,建立了复杂连接件疲劳性能S-N-L（疲劳应力-寿命-应力严重系数）曲面;利用该曲面,发展了复杂连接件疲劳裂纹形成寿命估算算法;基于断裂力学理论,推导出裂纹扩展长度与扩展角度公式,建立了疲劳裂纹扩展寿命估算的累计求和算法。最后,运用寿命估算方法,估算了双剪连接件的疲劳裂纹形成寿命、双剪连接件和双耳连接耳片的裂纹扩展寿命,预测结果与断口判读结果吻合良好。本文寿命估算方法为复杂连接件疲劳定寿提供了理论依据。      

开孔泡沫塑料的应力松弛问题

开孔泡沫塑料具有良好的能量吸收和缓冲性能, 在工程中得到了广泛的应用, 对其粘弹性行为进行研究具有重要的意义.基于Lederman模型,应用三参数标准线性固体模型考虑基体的粘弹性性能,对开孔泡沫塑料的应力松弛行为进行了研究,并讨论了所加应变载荷、结构参数和泊松比对应力松弛曲线的影响.结果表明:应力松弛曲线对泊松比是不敏感的,并且,应变载荷的增加和相对密度的提高会使应力松弛变得更加明显,但应力响应的初始值和终值的比却不随应变载荷的提高而变化.     

用双边切缝试样的高温蠕变裂纹扩展分析

对双边切缝试样切缝根部萌生裂纹进行了有效SIF分析,并用于1Cr18Ni9Ti不锈钢板材的高温蠕变裂纹扩展试验,在所试验的温度T(570～650℃)和应力σ(15.3～16.9kg/mm~2)范围内,试验数据表明:稳态蠕变裂纹扩展是一个热激活过程,相应的综合参量S=S(T,σ,K_(1eff))有效地控制了稳态蠕变裂纹扩展率da/dt。     

航空铝合金弹塑性状态疲劳裂纹扩展速率试验

研究含长裂纹薄壁结构弹塑性状态下的裂纹扩展规律对于保证机体结构安全具有重要意义.设计了民机用铝合金大宽板裂纹扩展速率测试用试验件和夹具,进行了2024-T3和7075-T6两种铝合金大宽板弹塑性状态下裂纹扩展速率测试.讨论了应力强度因子变程(ΔK)和裂纹中心线处的张开位移变程(Δδ)作为弹塑性状态下裂纹扩展速率表征参量的适用性.研究结果表明:中、高级应力水平作用下,含长裂纹铝合金大宽板裂纹进入快速扩展阶段,裂纹扩展ΔK~da/dN曲线发生明显转折,不能用Paris公式拟合.在裂纹扩展后期,Δδ~da/dN曲线在双对数坐标下呈线性关系,可用Δδ~da/dN关系曲线来表征弹塑性状态下铝合金的裂纹扩展速率.     

夹持边界条件下表面裂纹应力强度因子求解

为了进行试验室条件下表面裂纹扩展行为研究,需要进行试验机夹持边界条件下的表面裂纹应力强度因子求解.通过对夹持特点的分析,将其等效为均匀拉伸和弯矩的共同作用,并使得试件端部转角为0°.以自由均匀拉伸和纯弯载荷作用下表面裂纹应力强度因子解的Newman-Raju公式为基础,计算得到了等效模型弹性位能表达式,应用卡氏第一定理求得了弯矩与拉伸载荷的关系,采用叠加原理得到了夹持边界条件下表面裂纹应力强度因子解.为了验证解的适用性,采用Abaqus软件计算得到夹持边界条件下若干典型表面裂纹的应力强度因子数值解,对比表明了提出的应力强度因子解法是足够精确的.随后探讨了裂纹形状、试件长厚比等对夹持边界条件下应力强度因子修正因子的影响规律.