基于扩展有限元的改性双基推进剂的开裂过程模拟研究

为研究和模拟改性双基推进剂(CMDB)在准静态条件下的断裂特性,利用扩展有限元XFEM技术,建立了中心直裂缝含加载平台的圆盘形三维模型。基于线粘弹性理论,通过单轴拉伸实验直接获取改性双基推进剂的最大拉应力8.21MPa,作为仿真模型中裂纹粘聚区的断裂强度,模拟了固体推进剂在静态加载条件下裂纹实时扩展过程。结果表明实验和仿真过程中裂纹均首先呈I型扩展,最后以复合断裂形式扩展失效。讨论了推进剂在压缩断裂过程中裂纹扩展区的应力变化对裂纹扩展的影响,发现实验预期结果与仿真结果符合性良好,说明扩展有限元法能够为改性双基推进剂断裂过程的数值模拟提供新的方法。     

考虑应力比及温度影响的粉末高温合金短裂纹扩展模型研究

短裂纹扩展已成为先进粉末涡轮盘疲劳寿命预测的关键，为了准确模拟粉末高温合金材料短裂纹扩展阶段，针对FGH96粉末高温合金，重点关注应力比、温度对短裂纹扩展的影响规律，建立了一种工程适用的、基于Tanaka模型修正的短裂纹扩展寿命预测方法。模型采用裂纹闭合参数表征应力比影响、采用热力学理论表征温度影响，实现了不同应力比、温度条件下短裂纹扩展规律的统一描述，相比于传统模型在预测精度、工程适用性方面具有显著优势，与试验结果的相对误差小于20%。     

三维非平面裂纹扩展参数化模拟方法

发展一种基于有限元方法（FEM）的自动模拟三维非平面裂纹扩展的模拟方法。该方法采用参数化建模的方式建立裂纹体,以镶嵌裂纹体的方式在结构中插入裂纹,然后通过有限元计算得到裂纹扩展参量,自动更新裂纹体从而模拟裂纹的扩展过程。通过模拟三个裂纹扩展算例,计算了裂纹扩展循环数,对比试验结果,误差分别为195%、161%、21%。结果表明:该方法能够模拟三维非平面裂纹的扩展并计算扩展寿命,具有一定的精度和适用性。      

含销钉孔边裂纹的某压气机轮盘裂纹扩展分析

基于三维裂纹扩展分析软件FRANC3D V6.0,结合有限元软件,采用子模型技术建立断裂力学有限元模型.对带孔平板试样的裂纹扩展进行了数值模拟,分析了裂纹扩展规律,计算结果与手册解误差很小,结果表明了分析方法的可行性和准确性.建立了含销钉孔边裂纹的轮盘断裂力学有限元模型,对其进行了三维动态裂纹扩展分析,计算了应力强度因子和裂纹扩展寿命.结果表明:该分析方法简单可行,几种裂纹形式中销钉孔内表面裂纹对轮盘裂纹扩展寿命危害最大.      

整体壁板三维裂纹应力强度因子计算与分析

近年来,整体壁板成为飞机结构设计上一个新的研究方向。针对典型的飞机整体壁板,应用有限元软件ABAQUS建立了含裂纹整体壁板的参数化模型,对裂纹在凸台和筋条中的扩展轨迹进行三维裂纹扩展模拟。分析了裂纹在扩展过程中,凸台、筋条、蒙皮中裂纹应力强度因子的变化情况以及凸台、筋条的止裂性能。研究结果对整体壁板的损伤容限设计和评定具有一定的指导意义。     

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。     

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。     

弯曲载荷下薄壁结构疲劳裂纹扩展性能

对某飞机座舱盖侧型材与锁环连接部位的疲劳裂纹扩展性能进行了研究。该结构区别于常见薄壁结构的特征是承受较大的弯曲载荷,使得利用薄板I型裂纹扩展的常用方法进行寿命分析会产生较大的误差。为了研究弯曲载荷下薄壁结构的疲劳裂纹扩展性能,开展了带孔板和侧型材结构模拟件的疲劳裂纹扩展试验。通过有限元仿真分析,研究了弯曲载荷对裂尖应力强度因子的影响,提出了一种当量应力强度因子变程公式;对本文所涉及的2种类型受弯曲载荷作用的试件,裂纹扩展寿命预测结果与试验吻合较好。研究表明,在相同的名义应力和裂纹长度下,薄板受弯时裂纹应力强度因子、裂纹扩展速率远低于受拉的情况;结构受到弯曲载荷时,锁环对连接部位的应力有显著的抑制作用,可以减缓疲劳裂纹的扩展;此外,合理的结构设计能够增加关键部位受弯时的疲劳裂纹扩展寿命。     

航空发动机涡轮盘裂纹扩展分析

在计算分析含有角裂纹等厚空心盘应力强度因子基础上,针对某涡轮盘螺栓孔周向应力最大处建立孔边角裂纹的有限元模型;利用J积分法,计算得到不同尺寸裂纹前沿的应力强度因子;采用2自由度法描述扩展过程中裂纹前沿形状的发展,对角裂纹引起的轮盘裂纹扩展过程进行了有限元模拟;最后得到涡轮盘的裂纹扩展寿命。     

带保载平面应变塑性诱发裂纹闭合效应

用黏塑性有限元法模拟含中心裂纹试件在等幅循环拉伸加载和保载作用下的裂纹扩展规律.试件采用涡轮盘材料Udimet720 Li(low inclusion)、恒温700℃和平面应变假设,通过逐步释放裂纹尖端节点约束来模拟裂纹扩展.计算了在应力比R=0,不同最大循环载荷、不同保载时间对平面应变下无量纲裂纹张开应力强度因子的影响.平面应变情况下,无量纲裂纹张开应力强度因子随最大载荷的变化而趋于分散,并随着裂纹的扩展,会存在先上升后下降并趋于一个稳定值的趋势;载荷相同时,保载时间的增加使裂纹张开应力强度因子增加.高温保载情况下,蠕变会影响裂纹扩展速率.      

裂纹扩展的无网格数值模拟方法

疲劳断裂是航空材料的重要失效形式 ,由于裂纹尖端应力存在奇异性 ,传统有限元方法模拟裂纹沿任意路径扩展存在很多不足。作为一种新兴的数值模拟方法 ,无网格计算只需将求解问题离散为独立的节点 ,计算过程中可以实时跟踪裂纹尖端区域进行局布细化。将连续的裂纹扩展过程看作多个线性增量 ,每一个增量内裂纹扩展角根据应力强度因子确定 ,通过在裂纹尖端细化节点和引入外部基函数提高了计算精度。本文给出了应用无网格方法模拟裂纹扩展过程的关键技术和计算流程 ,通过对带有中心斜裂纹的 Ti-6 Al-4 V合金平板进行分析 ,预测得到的裂纹扩展路径与实验值吻合的较好。     

三轴应力约束下疲劳裂纹闭合分析

在对D-B模型修正的基础上,考虑到用三轴应力约束的方法研究穿透裂纹厚度效应,对常幅载荷条件下疲劳裂纹闭合做了详细的分析,并建立了一个有效的分析模型。该模型与三维有限元结果、实验数据和其它模型作比较,结果显示出能很好地处理各种因素对疲劳裂纹闭合的影响;对常幅下裂纹扩展速率首次获得同种材料在不同厚度、应力比和载荷水平下的统一描述。     

疲劳裂纹起始扩展门槛值的研究

 1.疲劳裂纹起始扩展门槛值(△K_(th))的概念 人们通常提到的疲劳裂纹扩展门槛值△K_(th)是在裂纹扩展过程中不断下降△K,使裂纹扩展不断减慢,直至停止扩展时所对应的△K值。它由降K程序测定,试验方法见文献。达到△K_(th)时裂纹前缘塑性区很小,在厚度和应力比一定的条件下,△K_(th)是材料常数。然而,在构件承受变幅交变载荷作用时,某级载荷使裂纹尖端产生应力强度因子K_(fmax),对应     

8090铝锂合金疲劳短裂纹扩展行为研究

 研究了8090铝锂合金二维短裂纹的扩展行为,发现了短裂纹扩展抗力明显低于长裂纹,且随裂纹尺寸不同而异,其原因是裂纹闭合效应随裂纹尺寸变化。应用有效应力强度因子幅值可统一各种尺寸短裂纹乃至长裂纹的扩展行为。     

三维疲劳裂纹扩展的可靠性分析

分析了三维裂纹扩展寿命主要影响因素及其分布形式,构造了正交设计表L49（7^8）来设计各种随机变量对裂纹扩展寿命关系的模拟组合,以这些模拟结果为学习训练样本,采用7-12-1三层BP网络仿真了各种随机因素与裂纹扩展寿命的复杂非线性关系,并研究了计算给定可靠度下扩展寿命和给定寿命下可靠度的分析方法和实现流程。扭力轴表面裂纹算例表明该方法合理可行。     

考虑应力比的疲劳裂纹扩展概率模型

考虑到应力比对疲劳裂纹扩展速率的影响及裂纹扩展的分散性,在Paris公式基础上,提出了一种考虑应力比的疲劳裂纹扩展概率模型;运用非线性函数线性化原理给出概率模型参数的求解方法;通过该概率模型和曲面,可从宏观上把握应力比对裂纹扩展的影响规律及得到任意应力比下的概率疲劳裂纹扩展速率曲线;对30CrMnSiNi2A钢试验数据的处理及分析验证了该模型的有效性和实用性.      

应力比对Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金疲劳裂纹扩展行为的影响

采用三点弯曲试样,对钛合金Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V在R=0.1,0.3和0.5三个应力比条件下的疲劳裂纹扩展行为进行研究,得到相应实验条件下的疲劳裂纹扩展速率,并结合断口分析探讨应力比R对该合金疲劳裂纹扩展行为和断裂机理的影响。结果表明:随着应力比R增大,Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金在同一ΔK时的疲劳裂纹扩展速率增大,裂纹扩展对应的应力强度因子ΔK范围和扩展门槛值ΔK_(th)减小;三个应力比R作用下试样的疲劳断口表面均可见一些疲劳台阶和二次裂纹;随着应力比R的增加,试样断口表面粗糙度增加,二次裂纹减小;在R=0.1,0.3和0.5三个应力比条件下的疲劳断裂均表现为穿晶断裂。     

用准静态“移动奇异元法”模拟 DCB模型的动态裂纹扩展

 近10年来,随着对动态断裂问题的深入研究,出现了众多针对动态裂纹扩展的计算模型,但它们都存在着一定的缺陷。对动态裂纹扩展问题,计算模型的成败取决于解决该问题的变分方程、扩展的模拟方法以及对动态裂纹附近的应力、应变场的表达是否合理。但文献所用的常规元、文献对裂纹扩展使用的“逐步节点力释放”法和文献采用的变分方程“energy consistent variational statement”都存在着某些不合理因素,因此计算结果不很理想。另外,由于模拟裂纹扩展的计算量非常之大,如何在保证精度的前提下节省计算时间也是需要进一步解决的问题。本文力求通过采用新的变分方程、新的奇异元、利用文献的扩展模拟方式克服以上存在的种种不足。     

基于剩余强度和裂纹扩展寿命模型的可靠性分析

对剩余强度可靠性模型和裂纹扩展寿命可靠性模型进行比较分析,结果表明,两种模型在理论上是相容的,但两种模型在物理意义上是不同的,剩余强度模型是根据结构剩余强度与载荷之间的关系,比较直观地给出了结构可靠性的计算方法,即通过在载荷谱作用下裂纹尖端应力强度因子应小于材料的断裂韧度建立安全余量。裂纹扩展寿命模型是根据裂纹扩展寿命小于给定的寿命建立安全余量从而计算可靠性的方法,由于裂纹扩展寿命不如裂纹长度直观,可以通过寿命与裂纹长度的关系,转化到根据裂纹长度求解可靠度。由于剩余强度可靠性模型表达式较复杂,可以考虑对该模型的求解采用Monte-Carlo模拟法,免去了复杂的推导过程,对裂纹扩展寿命可靠性模型的求解采用了均值一次二阶矩法,该方法省去了繁琐的计算过程,近似求解可靠度,并能保证一定的精度。     

喷丸强化7475-T7351铝合金的小裂纹行为和寿命预测

对7475-T7351铝合金进行了喷丸强化和未喷丸(机械加工后抛光)单边缺口拉伸(SENT)试样的小裂纹扩展行为试验研究,利用权函数法(WFM)和叠加原理分析计算了三维表面小裂纹在外加载荷和残余应力场联合作用下的应力强度因子(SIF),并将其加入到基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析程序FASTRAN3.9中,采用该程序预测了均布外载荷σmax=160MPa、R=0.06下,喷丸强化和未喷丸SENT试样自然萌生裂纹扩展的a-N曲线。研究发现喷丸强化残余压应力对疲劳小裂纹扩展速率的降低是疲劳寿命延长最主要的原因,采用基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析方法能够较好地定量描述喷丸强化的疲劳延寿作用。