裂纹张开载荷的计算及其应用

本文利用超载后塑性区内残余拉件应变的概念,建议了一个计算裂纹张开载荷的数学模型,并导出了相应的计算公式。 应用此模型可以解释加交变循环载荷时疲劳裂纹扩展速率较高的现象。有不同类型的超载时,疲劳裂纹扩展的迟滞效应,也可以定量地加以估算。计算结果与实验结果符合得较好。     

谱载荷作用下的裂纹扩展计算模型

最简单的谱载荷是在基本循环载荷中施加单一或多个拉伸和拉—压过载的情况。有过载作用,裂纹扩展速率显著降低。实验证明,过载迟滞效应最大点、即裂纹扩展速率最低点不是在刚施加过载之后,而是距过载点有一段距离,即所谓延缓滞后或推迟延缓(delayed retardstion)效应。现有的计算模型大多未考虑这一效应,因而与实际情况有很大差别。有的模型,例如松冈模型虽然考虑了这一效应,但表达这一效应的参数必须由实验确定,这样就使该模型应用很不方便。本文根据产生推迟延缓的机理和对试件的断口分析,提出了一个确定这一参数的计算公式,进而提出了对拉伸过载和拉—压过载作用下的裂纹扩展计算模型。用本模型计算了几种材料在不同加载条件下的迟滞效应,计算结果与实验结果相当符合。 由于本模型可以计算拉仲过载和拉—压过载等情况下的迟滞效应,因而作一些合理的假设可用以计算复杂谱载荷作用下的裂纹扩展速率和寿命,本文计算了飞机起落架施旋转臂和机翼加劲板在谱载荷作用下的裂纹扩展寿命,计算结果与实验或统计结果基本符合。     

水对复合材料层合板分层扩展的影响

本文研究了水对复合材料层合板在单向拉伸和疲劳循环载荷作用下的分层扩展速率的影响。研究结果表明,在单向拉伸载荷作用下,水对分层扩展速率影响不大,而在疲劳循环载荷作用下,层合板发生分层后,水渗入层间及横向裂纹中,使层间裂纹和横向裂纹扩展速率大大加快,层合板的疲劳强度和疲劳寿命显著下降。因此当复合材料层合板结构在水介质中工作时,必须考虑到裂纹对水的敏感性。本文还探讨了超载对疲劳裂纹扩展速率的效应。实验结果证明,与金属材料的机理完全不同,超载对复合材料的裂纹扩展不但无延迟效应,反而存在加速现象。     

微重力条件下悬浮区中的Marangoni对流

本文研究微重力条件下悬浮区中的表面张力梯度驱动对流。采用有限元方法数值研究二维、轴对称悬浮区中的定常流动和温度分布,讨论P_r数及自由面上散热条件的影响。计算表明,P_r数(M_α数)增大时,流区大部分自由表面上温度梯度减小,流区流速较小,对流热输运较扩散效应增强。只要能维持自由面上一定的温度梯度,在较大的P_r数(M_α数)时,仍能得到收敛的定常解。     

采用Ti/Ag/Ti中间层连接SiC陶瓷的 有限元应力分析

在陶瓷与金属或陶瓷与陶瓷(采用金属中间层)的连接过程中,陶瓷与金属的热膨胀系数等性质存在差异而产生的残余热应力是连接接头强度弱化的主要原因.采用有限元方法对Ti/Ag/Ti作为中间层热压连接SiC陶瓷进行了应力的有限元计算分析,结果表明采用Ti/Ag/Ti结构的金属中间层连接SiC陶瓷时,对接头危害较大的残余应力主要分布在连接件近缝区.靠近试样外表面区域是接头的薄弱区,裂纹易在此处萌生,裂纹的扩展先是沿着一条向陶瓷侧凹入的弧线向陶瓷内切入,而后沿径向扩展.接头实际断裂方式与有限元分析结果相符,表明采用有限元方法对陶瓷连接接头的残余应力进行模拟计算有重要的指导意义.      

表面裂纹三维弹塑性有限元分析

本文用三维弹塑性有限元计算了含表面裂纹均匀拉伸板在不同载荷大小下的弹塑性位移场、应力场和裂纹尖端塑性区等。计算结果表明:裂纹张开位移具有良好的线性段;对称面和前表面不是处于平面应变和平面应力状态,它们的塑性区用二维情况下的Irwin公式估计误差很大;裂纹尖端塑性区随着载荷的增加,后自由表面的影响也增加;体内大部分区域近似于无裂纹的轴向拉伸应力状态,仅在相当靠近裂纹尖端地区才有较强的塑性约束;裂纹顶端的第三维正应力也具有奇异性。这些结果对于表面裂纹的断裂、疲劳特性研究具有一定的参考价值。     

疲劳载荷下表面裂纹扩展时形状变化规律的研究

本文通过对Ly—12CZ铝合金板和30CrMuSi钢板表面裂纹在拉伸疲劳载荷作用下裂纹形状变化实验数据的分析,提出拉伸疲劳载荷作用下表面裂纹形状比a/b和深度——板厚比a/t随裂纹扩展时的关系式。利用此式进行理论计算,其结果与实验较符合。 此关系式对具有表面裂纹结构剩余寿命和剩余强度计算均有一定实用意义。     

考虑过载迟滞效应的一个新模型

根据有效残余压应力的概念,并考虑基本循环中残余压应力的松弛,导出了计算过载后裂纹扩展速率的公式其中(da/dn)_0为未受过载影响的扩展速率,u=1 (1-α)λ-(1-α)(k_(ap)/Δk_b),及应力松弛系数 用本文方法对铝合金Ly12,2024,钛合金Ti—6Al—4V等试件在不同载荷情况下的过载迟滞期进行了计算。如令系数n=4,发现计算结果与实验结果符合得相当好。     

离心力场中的三维裂纹的J积分有限元计算

本文研究离心力场中的三维裂纹问题。在W.S.Blackburn给出的不计及离心力时的三维J积分公式的基础上,作者导出了离心力场中的三维裂纹的J积分公式为: J=integral from Γ(Wdy-T_iu_(i,1)ds)-integral from A((σ_(i3)u_(i,1),_3dA)-integral from A(F_iu_(i,1)dA) 本文将上式化为有限元表达式并研究了转换时的简化技巧;对中心含半圆表面裂纹的标准块在单向拉伸载荷作用下的J积分进行了计算和激光光弹实验;对某发动机涡轮盘的角隅裂纹进行了计及离心力的J积分计算。实践证明本文列出的方法是简便和切实可行的。     

带电粒子在中性线磁场中运动的解析轨道

本文我们计算了带电粒子在中性线磁场中运动的解析轨道。其结果是:(1)带电粒子在中性片磁场中的运动是粒子在中性线磁场或在具有北向分量的中性片磁场中的第一级近似形式。(2)带电粒子在中性片磁场中的解析轨道的第三级近似形式与电子计算机计算的数值轨道基本相同。它们仅仅在小扰动区与非小扰动区的交界线上出现一些偏差。(3)带电粒子在整个中性片磁场的运动可以分成三种形式。粒子一方面在垂直于磁场的平面上作闭合的周期性轨道运动, 同时闭合轨道的中心还沿着垂直于磁场平行于中性线方向漂移。另一方面粒子还沿磁力线方向做等速运动。(4)在小扰动区中粒子的闭合轨道是一个圆轨道, 但在非小扰动区中却是一个“8”字形轨道, 其漂移速度与小扰动区漂移方向相反, 其大小也比小扰动区漂移大很多。以上结果本文都给出一个完整的解析形式。      

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。     

Z型疲劳裂纹在单峰过载下的扩展速率及迟滞效应研究

本文对Z型裂纹在含有一单峰过载的常幅载荷下的扩展规律进行了研究。通过观察裂纹的开裂角及扩展路径,提出了一个能用来估算Z型裂纹过载迟滞效应的简单模型。估算结果及实验吻合较好。     

含有Ⅲ型中心裂纹的矩形薄板在突然位移作用下的瞬时效应

在本文中,应用Fourier变换,Laplace变换和Fourier级数的基本理论来确定含有中心裂纹矩形薄板在上下边界处沿垂直板平面的z方向承受位移W。作用的动应力强度因子。而且可以证明含同样裂纹的窄条的解是本文的特例。     

航空铝试块疲劳裂纹相控阵超声成像检测

表面疲劳裂纹扩展可导致结构失效,利用相控阵超声成像技术监测疲劳裂纹,获取结构完整性评价所需裂纹信息,可及时对结构失效提出安全预警。采用三点弯曲疲劳试验法在航空铝试块上生长疲劳裂纹,对裂纹开口面材料进行逐步切削来获得不同长度的疲劳裂纹,利用相控阵超声全矩阵采集(FMC)和全聚焦方法(TFM)获得的裂纹尖端和开口图像信息来监测裂纹扩展和测量裂纹长度,并测试了相控阵超声探头放置位置、裂纹张开/闭合、裂纹表面粗糙度对超声成像检测效果的影响。研究结果表明:相控阵超声探头从裂纹侧面入射检测能更好地对裂纹进行超声成像,并真实反映材料内部裂纹扩展前缘形貌。当疲劳裂纹长度大于3倍超声波长时,裂纹尖端和开口图像完全分离,相控阵超声全矩阵采集和全聚焦成像技术可有效测量裂纹长度,测量误差小于0.2 mm。相比裂纹张开时,疲劳裂纹闭合效应会使裂纹尖端超声图像信号减弱4.5 dB,长度测量值小0.6 mm。      

弓激波前内透射离子动力学横场流静电不稳定性

本文讨论了地球弓激波前内背景电子速度分布函数为平顶形式时的透射离子横场流静电不稳定性.结果表明,在超临界(Alfvén Mach数M_A>3)准垂直激波区(激波法向与行星际磁场之间的夹角75°)情况下,透射离子流产生的静电不稳定性增长率峰值要比电子速度为Maxwell分布时更加显著,并满足动力学性质.     

考虑支承刚性时转子的临界转速

提出用折合效应系数法计算考虑支点刚性及陀螺力矩影响时转子临界转速的方法,用以计算两支点刚性不同而周向刚性相同转子的临界转速。分析了支点刚性系数对临界转速性质的影响,得出一些结论,可供设计参考。拟制两支点刚性不同,周向刚性不均匀转子的临界转速计算方法及两支点刚性不同,周向刚性不均,且y(z)方向负荷会造成z(y)向变形情况下转子的临界转速计算方法。所有计算方法中考虑了陀螺力矩的影响,这就比目前已有的计算方法更接近实际。由性质分析所导出的一些概念,对实际设计机器时,如何考虑支点刚性对临界转速影响有参考作用。 学生陈宝歧、于香泉,在完成这项科研项目中付出许多劳动,在此表示衷心感谢。     

极向运动极光结构和喉区极光光学观测特征的对比分析

利用中国北极黄河站高时间分辨率的三波段全天空成像仪极光观测数据，联合太阳风和行星际磁场等观测，分析了极向运动极光结构（PMAFs）和喉区极光的形成及演化特征.研究发现:一系列PMAFs与喉区极光事件同时出现在观测视野中，其中PMAFs主要发生在日侧极隙区极光卵赤道向边界的极向一侧，沿东西方向分布，点亮后向高纬运动；喉区极光紧靠PMAF一侧发生，从极光卵赤道向边界向低纬延伸，沿南北方向分布，点亮后向高纬偏西方向运动；观测期间PMAFs发生频率高于喉区极光；当PMAFs与喉区极光同时出现时，PMAFs可以与喉区极光几乎同时出现或略晚于喉区极光出现，持续时间较喉区极光短.观测结果表明:与PMAF相对应的磁层顶重联过程和与喉区极光对应的磁层顶凹陷导致的磁重联过程在日侧磁层顶上的相邻区域分别发生，两种极光事件的形成过程相对独立，可能不存在相互触发关系.      

薄钢板塑性成形损伤与断裂

本文用宏观与微观相结合的方法,试验研究了冷轧薄钢板在不同应变此ρ(=ε_2/ε_1)下的损伤演变过程。发现薄板的表面损伤有三种不同的形成机制:卽孔洞的形核、长大;晶面滑移和表面晶粒转动。内部损伤存在两种演变机制:当材料-0.5≤ρ<0范围内成形形时,主要损伤机制是孔洞长大;随应变比ρ由零转向1,裂纹扩展逐渐发展成为主要损伤演变机制。文中给出了一种新的损伤断裂几何模型。指出拉伸断裂是表面与内部损伤共同作用的结果。     

基于电离层加热的人工沿场散射RCS估计

在电离层加热理论研究和试验研究的基础上, 根据F层散射体的特征和不均匀体散射理论, 建立了人工沿场散射(AFAS)中散射体的散射截面积数学模型. 通过与国际上理论结果对比, 证明了模型的适用性. 利用模型估算了中国人工沿场散射通信中, 通信频段在20~100 MHz时散射体的散射截面积, 结果显示, 甚高频率(VHF)的低端可达80 dB•m2. 另外, 通过计算验证了雷达波束垂直地磁场方向时可获得最大散射截面积的理论.