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。     

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。     

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。     

紧凑拉伸试样应力强度因子的统一公式

 本文通过简单的力学分析,导得了紧凑拉伸试样应力强度因子的统一的表达式（公式（5）,（7）,（8））,可以适用于相当宽的H/W和a/W的范围,与边界配置法结果相比,误差小于1％（大多数数据的误差小于O.5％）。 本文采用的基本函数K_b和K_s,均为Srawley^[1、2]等用边界配置法得到的结果拟合而求得的。在拟合过程中发现文献[1、2]内有五个数据异乎寻常,证实了文献[3]中重新计算的结果。 利用本文的表达式还可以方便地计算试样的柔度,结果也是令人满意的。     

基于权函数法的应力强度因子计算和断裂评估

仅利用一个参考载荷,建立一种近似公式来计算共线裂纹和中心裂纹的张开位移。通过该方法确定的裂纹面张开位移及其偏导与精确解之间吻合良好。该方法将中心裂纹的权函数计算模型简化为形状因子和裂纹面张开位移偏导之间的积分。基于权函数法,研究了带中心裂纹的旋转叶片的应力强度因子与裂纹长度、位置、转速及转动加速度之间的关系。结果发现:应力强度因子随着裂纹长度的增加和裂纹与旋转轴间距的减小而增大;转动加速度对应力强度因子的影响较小;转速的增大会使应力强度因子增大。在断裂力学理论的基础上,建立了断裂控制准则,计算表明叶片的临界转速随着裂纹长度的增加而降低。     

用于J阻力曲线测试的载荷分离直接标定法

基于载荷分离原理提出了确定不同裂纹长度钝裂纹紧凑拉伸(CT)试样的载荷-位移(P-V)曲线显式表达式的方法,进而通过与尖裂纹试样的P-V曲线进行对比分析,发展了直接确定尖裂纹试样实时裂纹长度的载荷分离直接标定(LSDC)法。该方法无需在试样断面上进行任何裂纹长度的物理测量。采用Cr2Ni2MoV钢制成的CT试样验证了LSDC法的可行性和有效性。研究结果表明,LSDC法得到的J阻力曲线相比柔度法和规则化法更加合理、精确。由LSDC法还可从相同初始裂纹长度条件下的钝裂纹和尖裂纹CT试样的P-V曲线分离点得到能够真实反映材料启裂的临界断裂韧度,相比根据0.2mm钝化偏置线交点确定的传统条件启裂韧度值更为合理,且具有更小的数据分散性。     

表面裂纹产生和发展的研究

 本文研究了表面椭圆形缺陷产生疲劳裂纹的规律。结果表明:具有曲率半径为ρ的表面缺陷形成裂纹的寿命N_i=A(（p/△K₁）ⁿ,A=(a(ρ^1/2)^B。α,β,n是材料常数。不出现裂纹的门槛应力场强度因子△K_th和ρ有关。本文用“变载荷勾线法”研究了表面裂纹在拉伸疲劳和弯曲疲劳时裂纹扩展的规律。结果表明:拉伸疲劳时表面裂纹α向和c向扩展速率可用Paris公式描述,且和中心贯穿裂纹发展速率处在同一分散带内。三点弯曲疲劳时情况完全不同,这时用“二维法”来处理更为合适。本文也研究了表面裂纹疲劳扩展时形状变化的规律。结果表明:对三点弯曲,c/a+B/a=1士0.1（a是裂纹深度,2c是长度,B是板厚）。拉伸疲劳时a/c趋于一个稳定的值c/a=0.75士0.1。本工作表明,对浅的表面缺陷,形成宏观裂纹的寿命远比裂纹扩展到临界尺寸的寿命高。因此,对带伤构件进行寿命估算时必须考虑缺陷形成裂纹的寿命。     

基于原子内聚力与表面能等效的内聚裂纹模型

 从非局部连续介质理论出发,采用一种新的理性力学方法对裂纹前缘内聚应力分布规律进行研究。首先,在内聚裂纹表面引入非局部应力边界条件,从而将内聚区内表面诱发张力(非局部表面残余)与内聚应力等价联系起来;然后,利用能量平衡关系,得到仅与表面能密度相关的I型裂纹内聚力新的本构方程。最后,在推导结果的基础上,计算一个具体的脆性断裂算例研究内聚区内表面能与内聚应力随裂纹张开位移(COD)变化的分布规律。由计算结果发现,裂纹尖端应力奇异性消除,且应力最大值不一定出现在裂纹尖端,而是发生在裂纹尖端周围的内聚区内。     

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。      

应力腐蚀和氢致裂纹机构

 用抛光的恒位移试样对不同强度的四种低合金钢在各种致氢环境（如电解充氢,H₂和H₂S气体,水.H₂S水溶液等）下,跟踪观察了应力腐蚀裂纹和氢致滞后裂纹的产生和扩展过程。结果表明,当钢的强度和K₁大于临界值后,在任何一种致氢环境中都能产生氢致滞后塑性变形,即随着原子氢的扩散进入,原裂纹前端塑性区及其变形量逐渐增大。当这个氢致滞后塑性变形发展到临界状态时,就会导致氢致滞后裂纹的形核和扩展。 用光滑拉伸试样,弯曲试样,Ⅰ型,Ⅲ型以及Ⅰ-Ⅲ复合型预裂纹试样研究了氢对表观屈服强度的影响。结果表明,对光滑拉伸和预裂纹扭转试样,氢对屈服强度的影响是不明显的。但如试样中存在拉应力梯度（如弯曲试样,Ⅰ型或复合型预裂纹试样）,当钢的强度和进入的氢量超过临界值时,氢就能明显地降低表观屈服强度,这就是氢致滞后塑性变形的原因。根据表观屈服强度对进入的氢量和强度的依赖关系,可以解释K_lscc和da/dt对强度和环境的依赖关系。 研究了变形速度,试验温度以及预先塑性变形程度对氢致表观屈服强度下降的影响。在此基础上探讨了氢使表现屈服强度下降的原因。     

双轴应力下含裂纹加筋曲板剩余强度的弹塑性有限元计算

 采用考虑了大应变的弹塑性有限元方法,以裂纹尖端张开角为断裂准则,实现了双向受载条件下加筋曲板中裂纹起裂到失稳整个扩展过程的数值模拟计算;还对与加筋曲板有同样尺寸的加筋平板进行了分析和计算。结果表明,所提出的分析方法和所采用的断裂准则适用于对含裂纹加筋结构所进行的剩余强度分析。     

基于电路仿真和正态假设的小样本多试验环境下产品性能可靠性评估

针对电子产品设计验证阶段性能试验的多环境状态、小样本特点,在正态分布假设条件下,提出了基于Pspice电路仿真的性能评估方法,运用Pspice软件中的瞬态分析、Monte-Carlo分析和温度分析获得了各环境状态下的性能仿真数据,进而获得了环境因子的仿真结果;利用环境因子将多试验状态下的试验数据折算为正常状态下的性能试验数据,基于折算后性能试验数据实现了产品的性能可靠性评估。最后,以某型装备上的稳压电源为例说明了本文方法的有效性和实用性。     

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。     

动态裂纹扩展韧性 K_(ID) 的估算及方法的评估

通过对30CrMnSi2A钢制成的DCB（带裂尖小孔）试件的试验结果和利用动态有限元法（DFEM）与远场路径无关的J′积分相结合的方法计算了动态裂纹扩展韧性。较全面地对各种估算KID的工程方法进行了分析比较和评估,讨论了使用范围。此外,改进了Kanninen的半经验公式,使它能对于不同泊松比的材料能方便地估算极限速度VL.同时,指出材料常数m应与裂纹的初始长度和止裂长度aa及裂尖半径有关,给出了计算公式,使得估算KID更为简便和合理。     

铁磁构件残余寿命评估方法

 为研究磁记忆检测技术评估铁磁材料早期损伤的可行性,以磁记忆检测技术为手段,对40Cr钢三点弯曲SE(B)试样进行了常温疲劳裂纹扩展试验,分别测量了试样在相同载荷条件下不同循环周次N时的磁场数据。定义了一种新的磁记忆特征参量,分析并探讨了疲劳裂纹扩展过程中该特征参量的阶段性特征,结果表明该特征参量较传统的磁记忆特征参量变化明显。通过分析磁记忆信号与裂纹扩展寿命、累积疲劳损伤之间的关系,建立了基于磁记忆信号的损伤参量模型,利用该模型可以很好地评估材料的残余寿命,可为磁记忆检测技术在铁磁性材料早期损伤以及残余寿命评估方面的应用提供借鉴作用。     

三维光弹性测定应力强度因子K_Ⅰ的综合法

对利用三维光弹性试验数据计算应力强度因子K_I,提出一种新的算法--综合法。此法既解决了所需测量区域内条纹信息少的弱点,又克服了因裂纹尖端“钝化”而无法测到裂尖精确条纹值的困难。试验与计算结果表明此法误差小、精度最高。可应用测定受复杂载荷并具有复杂边界条件结构的应力强度因子。     

点火药量对微型脉冲推力器内弹道性能的影响

研究了用于高速动能导弹和超高速火箭弹道修正的微型脉冲推力器的三种推力—时间(F-t)曲线,发现由于脉冲推力器点火药量与主装药量之比明显高于常规固体火箭发动机该两者的比值,点火药量的多少会对推力器F-t曲线的形状和内弹道性能产生明显影响。必须严格控制点火药量,特别是引燃药剂的量,才能获得较为满意的内弹道性能。      

Analysis of crack opening stresses for center- and edge-crack tension specimens

Accurate determination of crack opening stress is of central importance to fatigue crack growth analysis and life prediction based on the crack-closure model. This paper studies the crack opening behavior for center- and edge-crack tension specimens. It is found that the crack opening stress is affected by the crack tip element. By taking the crack tip element into account, a modified crack opening stress equation is given for the center-crack tension specimen. Crack surface displace- ment equations for an edge crack in a semi-infinite plate under remote uniform tension and partially distributed pressure are derived by using the weight function method. Based on these displacements, a crack opening stress equation for an edge crack in a semi-infinite plate under uniform tension has been developed. The study shows that the crack opening stress is geometry-dependent, and the weight function method provides an effective and reliable tool to deal with such geometry depen- dence.