基于直通型CT试样测试方法的断裂韧度研究

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量纲一载荷分离法,从而完善用于断裂韧度测试的载荷分离理论,且根据弹塑性有限元精细计算结果以及直通型CT变形几何关系,提出裂纹嘴张开位移与加载线位移的转换公式。采用不同初始裂纹长度CT钝裂纹试样对公式的有效性和精确性进行试验验证,进而实现对1Cr12Mo、30Cr2Ni4Mo V以及P91管材10Cr9Mo1VNb N三种合金直通型CT试样的JR阻力曲线测定,结果表明,试验值与公式计算值的最大相对误差均在5%以内。     

超高强度钢表面裂纹断裂试验失稳点监测和K_(Ie)测定

为准确地测定超高强度钢板材表面裂纹断裂韧性K_1e值,本文提出用开始失稳断裂时的临界载荷Pc代替目前国内外流行的Pmax法计算K_1e、并用声发射技术监测了断裂试验全过程。根据记录的声发射特性从P-V曲线上确定Pc值。用表面裂纹R曲线法作验证,两种方法所得结果符合很好。本文还导出了计算P-V曲线初始切线斜率下降量的经验公式:△V/V=H/7.6(σ/σ_(o2)~2(M/φ)~2利用该式确定“条件载荷”P_o可简化试验方法。     

含裂纹金属薄板的断裂韧度与剩余强度研究

为了探究影响含裂纹铝合金薄板材料断裂韧度、剩余强度的几何因素以及韧性材料的断裂机理,对典型航空铝合金2524-T3薄板,采用不同宽度、不同初始裂纹长度的中心裂纹板试样进行试验,测定材料的K-R阻力曲线,确定平面应力断裂韧度Kc和表观断裂韧度Kapp.试验结果表明:对于薄板结构,K-R阻力曲线与板宽相关;试件宽度、初始裂纹长度对断裂韧度和表观断裂韧度的确定都有影响,且板宽度的影响较大.基于上述结论,推荐两种可同时反映韧性材料断裂中的净截面屈服效应和韧性撕裂过程的剩余强度预测方法.     

含裂纹铝合金薄板的断裂韧度与剩余强度研究

为了探究影响含裂纹铝合金薄板材料断裂韧度、剩余强度的几何因素以及韧性材料的断裂机理,对典型航空铝合金2524-T3薄板,采用不同宽度、不同初始裂纹长度的中心裂纹板试样进行试验,测定材料的K-R阻力曲线,确定平面应力断裂韧度Kc和表观断裂韧度Kapp。试验结果表明:对于薄板结构,K-R阻力曲线与板宽相关;试件宽度、初始裂纹长度对断裂韧度和表观断裂韧度的确定都有影响,且板宽度的影响较大。基于上述结论,推荐两种可同时反映韧性材料断裂中的净截面屈服效应和韧性撕裂过程的剩余强度预测方法。     

延性材料断裂准则与平面应变断裂韧度

延性材料的临界断裂规律对结构完整性评价和金属塑性成形分析具有重要意义,但相关的弹塑性断裂强度研究长期存在瓶颈。本文针对30Cr2Ni4MoV低压转子钢和3Cr13不锈钢,完成了不同应力三轴度的4类试样拉伸破坏试验,基于FAT （Finite-element-analysis Aided Testing）方法,通过有限元迭代分析实现试样的载荷-位移关系逼近,进而获得材料直至断裂的全程等效应力-应变关系,并以此通过有限元正向分析获取4种试样的临界断裂阈值和临界应力三轴度,提出了基于临界断裂单元的应力三轴度与第一主应力阈值之间的对数型断裂强度准则。结果表明,2种材料、4类试样的FAT阈值分析结果与断裂强度准则符合良好。最后,基于断裂强度准则提出了依据I型裂纹尖端的应力分布预测材料平面应变启裂断裂韧度的新方法,并获得了30Cr2Ni4MoV低压转子钢和3Cr13不锈钢的平面应变启裂断裂韧度,结合临界断裂准则和裂纹静态扩展机理,提出了I型裂纹的材料J阻力曲线的理论预测方法,并给出了30Cr材料的预测结果。     

稳态热载荷作用下热障涂层结构界面断裂研究

针对陶瓷层与黏结层构成的双层热障涂层结构存在单边界面裂纹的情况,利用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)计算了稳态热载荷作用下结构的能量释放率,根据计算结果研究了单边界面裂纹的扩展行为.给定结构的温度边界条件求解得到稳定温度场,并以此作为结构的热载荷,计算能量释放率时采用随温度变化的材料参数.计算结果显示,在给定条件下,界面裂纹起裂后结构总的能量释放率大于界面断裂韧度,裂纹将进行失稳扩展;在裂纹扩展至接近自由端面时总能量释放率迅速减小并降到界面断裂韧度以下,裂纹不扩展.分析表明,处于高温稳态热载荷条件下的热障涂层系统,不会发生陶瓷层彻底剥落的失效现象.      

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。     

缺口根部小裂纹疲劳扩展特性及闭合效应实验研究

 对LY12CZ铝合金缺口根部疲劳小裂纹闭合特性及扩展行为进行了实验研究。采用光学金相显微镜测量了小裂纹的起裂及扩展。通过测量裂尖后两岸显微硬度压痕随裂纹张开闭合的距离变化,建立了缺口根部角裂纹裂尖附近的裂纹张开位移和载荷的关系,以此确定裂纹的张开应力。根据测得的σ_(op)/σ_(max)及按Newman模型计算的σ_(op)/σ_(max),进行闭合效应修正后算得的小裂纹疲劳扩展速率与实验结果基本符合。在小裂纹的情况下,所得结果与Newman方法所得结果相比,更为接近实际情况。     

扭转载荷下带环状裂纹圆棒的J积分的评价

研究了扭转载荷下带环状裂纹圆棒试样的J积分的评价.首先得到了一系列带有不同深度环状切口的中碳钢圆棒试样的扭矩-扭转角关系,然后分别利用单试样的简单评价法和多试样的能量法计算J积分值.结果发现,当圆棒试样的切口深度足够深(即裂纹长度足够长)或扭转角足够小时,两种方法计算的J积分值相当一致.     

碳纤维增强复合材料层间断裂韧度

采用双悬臂梁(double cantilever beam,DCB)和端部缺口弯曲(end notch bending,ENF)实验方法,对T300/CYCOM 970复合材料的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧度进行研究。通过体式显微镜及CCD摄像机对裂纹尖端位置做连续记录,观察损伤起始和演变,并对观察到的基体开裂、分层扩展等现象进行分析,研究层间断裂的特点,计算得出材料Ⅰ型断裂韧度GIC和Ⅱ型层间断裂韧度GⅡC,并通过实验对比分析热压罐固化和热补仪固化对复合材料断裂韧度的影响。结果表明:Ⅰ型断裂韧度实验中产生的裂纹扩展过程并不非常稳定,载荷随着位移以及裂纹长度的增加出现上下波动;Ⅱ型断裂韧度实验中产生的裂纹最初随着位移增加并不扩展且载荷线性增长,当载荷接近临界载荷Pc时,裂纹沿层间迅速不稳定扩展,载荷急剧下降;采用热压罐固化比采用热补仪固化Ⅰ型断裂韧度高43%,Ⅱ型断裂韧度高19%。     

基于塑性损伤数值分析的小冲孔试验影响因素研究

基于Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)塑性损伤本构方程,建立了小冲孔试验试样损伤分析的有限元模型。针对尺寸为10mm×0.50mm的SUS304不锈钢圆片状试样进行了常温小冲孔试验。试验和有限元分析所得到的载荷-位移(Load-displacement,L-D)曲线和试样破断位置一致,从而验证了有限元模型的有效性。进一步应用所建立的有限元模型系统地分析了摩擦系数、试样厚度、钢球直径、下模孔径以及冲压速率等因素对小冲孔试验结果的影响。研究结果表明:上述因素对L-D曲线、最大载荷、试样破断时间以及启裂和颈缩位置有显著影响,克服了目前小冲孔常温试验模拟中存在的不足,所得结论为今后的小冲孔试验技术发展提供了技术指导。     

锻造TC4钛合金电子束焊接接头的疲劳破坏机制

对锻造TC4钛合金电子束焊接(EBW)接头进行了应力控制的高周疲劳试验和应变控制的低周疲劳试验,利用扫描电子显微镜对疲劳断口进行观察与分析,研究了疲劳裂纹的起裂机制.研究结果表明:所有的高周疲劳试样裂纹起裂位置和最后断裂位置均发生在母材区,而低周疲劳试验试样断裂位置表现出不确定性,在焊缝区和母材区均可导致裂纹起裂.高周疲劳载荷下,裂纹起源于表面滑移;低周疲劳时,裂纹可能在接头母材区的表面起裂,也可能在接头焊缝的内部缺陷处起裂,裂纹起裂模式取决于载荷大小.      

含MSD共线多孔平板应力强度因子有限元分析

利用FRANC2D/L对含MSD某型飞机增压舱蒙皮搭接接头进行了有限元分析,得到了不同损伤模式下的应力强度因子(SIF)的计算曲线,和已有的文献比较表明,数值结果精确,方法可靠,即不同长度裂纹的SIF计算可有效地通过FTRANC2D/L的裂纹扩展功能来实现。计算结果表明,在某些情况下,MSD裂纹的SIF可按单裂纹的SIF进行计算;影响MSD裂纹SIF的因素主要是临近裂纹的长度、裂纹间或裂尖与钉孔间的距离。最后给出裂纹连通前后MSD裂纹SIF随裂纹扩展历程变化的规律。     

C-T曲线通用性分析和试验研究

提出了疲劳寿命预腐蚀影响系数曲线(C-T曲线)通用性分析的C值直接对比法和C-T曲线参数统计对比法,并进行相关试验研究,得到了C-T曲线和载荷谱、应力水平以及裂纹尺寸基本无关的结论。C-T曲线是进行腐蚀条件下飞机结构疲劳寿命评定和分析的基础,为验证分析C-T曲线和载荷谱、应力水平以及裂纹尺寸的相关性,从C的定义和分布规律出发,提出了C值直接对比法和C-T曲线参数统计对比法,近似谱、不同恒幅应力水平以及不同指定裂纹尺寸下的预腐蚀疲劳寿命数据均表明了C-T曲线基本具有通用性;并进行了某型飞机结构主梁模拟试件在随机谱及恒幅谱下的预腐蚀疲劳试验,试验结果同样验证了上述结论,从而说明了C-T曲线的通用性。     

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。     

平面应力裂端约束与J控制裂纹稳态扩展

利用有限元法计算模拟了紧凑拉伸和中心裂纹两种试样在Ⅰ型平面应力条件下的裂纹准静态扩展过程。结果表明:两种不同的薄板试样中扩展裂纹尖端约束和应力场完全满足静态裂纹HRR奇异性解的相应要求,即对于扩展裂纹J主导裂端场条件依然有效。值得注意的是:与平面应变情形相反,在平面应力条件下,较高的J主导水平发生在纯拉伸条件下,而较低的J主导水平发生在纯弯曲条件。由两种试样实测及有限元计算模拟的平面应力J阻力曲线符合良好。因而,作为一个独立于试样几何的准则,平面应力J阻力曲线适于表征材料抵抗裂纹稳态扩展阻力,并且能够合理地用于评估给定材料状态条件下的薄壁含裂纹构件和结构的安全性。     

钛合金超高周疲劳性能试验研究

采用ANSYS软件进行模态分析和谐响应分析,确定钛合金(TC17)试样尺寸和试验加载频率。利用弯曲疲劳试验系统进行试样在室温20kHz条件下的超高周疲劳试验。通过分析试验数据,计算得到p-S-N曲线,发现在大于107循环时,试样不存在传统意义上的疲劳极限。运用Paris模型从理论上计算得到钛合金(TC17)试样裂纹扩展寿命,发现其不超过中值疲劳寿命的2.1%。     

基于位移场的裂纹尖端识别算法

提出一种基于位移场的裂纹尖端识别算法。首先建立了与裂尖位置有关的目标函数,将裂尖识别问题转化为求解最小值的优化问题;然后在位移场范围内假设裂尖位置,将非线性优化问题转变为线性问题,在给出裂尖的初始假设位置后,通过该裂尖识别算法迭代分析,最终获得裂纹尖端的准确位置。仿真测试表明,该算法6s内通过4步迭代分析就可以得到Ⅰ型裂纹区域的位移场和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹区域的位移场准确的裂尖位置,该方法为裂纹测量技术提供了技术支持,有极大的应用价值。      

共振条件下的裂纹梁振动与裂纹扩展耦合分析

为了对裂纹静子叶片在共振激励下的损伤容限寿命潜力进行初步探索,采用接触有限元法研究了共振状态下裂纹梁的振动与疲劳裂纹扩展的耦合问题。裂纹梁采用二维平面应力单元离散,接触模型模拟呼吸裂纹开合过程中的弯曲刚度变化。振动分析中,分别使用解析法预估和瞬态响应扫频计算得到系统一阶共振频率。断裂力学参量在有限元法中使用线弹性断裂力学方法进行求解。耦合分析中,模拟了耦合现象中的两个典型问题——裂纹止裂和失稳扩展,通过在共振激励下扫描裂纹长度计算应力强度因子曲线,通过该曲线与断裂韧度、裂纹扩展门槛值对比判断裂纹扩展的稳定性、计算裂纹扩展寿命。最后使用耦合分析结论基于Campbell图对假设静子叶片进行了定性的共振分析。     

用弹塑性有限元法求解脉动循环载荷有超载时裂尖前方的应力、应变分布及塑性区的大小

 本文用弹塑性有限元法求解了理想塑性材料在三个脉动循环载荷下有超载时裂尖前方的应力、应变分布及塑性区的大小。文中用平均刚度法、一阶自校正法进行了计算,讨论了这两种方法的优缺点。结果表明,当有超载时裂尖引起很大的残余压应力,使固有塑性区尺寸大大缩小,从而在一定的条件下,可使裂纹扩展延缓。计算结果与H.Miyamoto~[1]的结果作了比较,得到相当满意的吻合。