考虑小裂纹特性的裂纹扩展数值分析方法及实验验证

为了对工程断裂关键件进行全面的损伤容限分析,需要发展一种能够考虑小裂纹阶段的疲劳裂纹扩展数值分析方法。在Paris公式的基础上基于镍基粉末高温合金小裂纹扩展行为特点,提出了一种小裂纹加长裂纹阶段的裂纹扩展物理力学过程描述,并以此建立了裂纹扩展速率模型。同时考虑到工程应用,将该模型通过FRANC3D软件的用户子程序,与有限元方法结合,构建了一种可分析实际工程结构例如航空发动机涡轮盘上疲劳裂纹扩展的数值分析方法。针对带初始缺陷的FGH96合金标准试棒进行了裂纹扩展数值分析,并与开展的裂纹扩展寿命实验进行了对比。数值计算结果与实验结果吻合较好,表明该方法能够充分考虑小裂纹阶段的裂纹扩展行为特点,适用于分析工程结构疲劳裂纹扩展的全过程。     

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。      

一种新的局部损伤韧性破坏理论及其在轴（球）对称结构中的应用

首先引入了一种新的局部损伤韧性破坏理论，包括考虑损伤的弹塑性本构关系，损伤演化模型和破坏准则。然后讨论了损伤问题的求解方法。以DE36压力容器用钢为例，求得了幂硬化材料厚壁筒和厚壁球壳中应力三轴度的分布规律和损伤分布的解析表达式，并对其开裂位置和破坏临界载荷进行了预测，取得了具有工程实际意义的结果。     

复合材料断裂的基体开裂模型

运用基体开裂模型对含有穿透裂纹的单向纤维复合材料进行了断裂分析，将理论预测结果和实验数据进行了比较。提出了决定裂纹前缘核心区域半径rc的定量公式以及确定材料临界应变能密度因子Sc的新方法。补充考虑了几个附加能量吸收过程，对应变能密度准则进行了开拓。实验试样的制备采用了预设裂纹的新方法。     

劲条止裂性能的分析方法

对于含裂壁板，采用劲条进行局部加强，可以阻止或延缓裂纹的扩展。本文对此作了理论分析，提出了劲条跨过裂纹对称加强时，裂纹尖端、劲条与壁板胶结界点以及劲条端点处应力强度因子的计算方法。在此基础上，通过数值计算，考察了劲条的刚度参数以及问题的一些几何特征参数对劲条止裂性能的影响规律。结果表明，本文方法对于劲条止裂性能的分析是有效的，它不仅能够准确地处理其中的应力奇异性问题，而且运算快速省时，便于进行优化设计。     

预测疲劳裂纹形成寿命的局部应力应变方法之评述

本文较为详细地综述了预测疲劳裂纹形成寿命的局部应力应变法，分析评论了各种算法的优劣，分析了三个试验和计算的结果，结果表明，瞬态应力-应变曲线和等效应变-寿命曲线的组合算法精度最好。     

冲击载荷作用下动态应力强度因子的研究

应用有限元法研究了带有表面裂纹的厚壁筒在冲击载荷作用下动态应力强度因子的计算问题，给出了合理的计算方法，分析了影响动态应力强度因子的有关因素     

45#钢微动疲劳特性的研究

微动疲劳发生于两零件的接触表面间，紧密接触表面间的微辐滑动是产生微动疲劳的重要因素。微动疲劳导致零部件的强度显著降低，是引发意外失效事故的重要原因之一，因此研究材料的微动疲劳特性具有重要的理论和工程应用价值。本文研究了45^#钢在室温下的微动疲劳特性，通过采用宏观力学试验与微观结构分析相结合的方法探讨了45^#钢微动疲劳破坏的机理。通过对试验结果进行分析，确定了显著影响微动疲劳特性的重要因素，从而加深了对微动疲劳过程的认识，而且其中一些结果可以推广应用到其他材料上去。     

榫连接结构高温低周微动疲劳试验

针对航空涡扇发动机压气机叶片/轮盘连接结构,设计了一种燕尾榫结构高温微动疲劳试验加载装置,开展了TC11钛合金在200℃及500℃下的微动疲劳试验。通过动态位移及动态应变法实现对燕尾榫微动疲劳萌生寿命的监测。试验中发现微动疲劳裂纹均萌生在燕尾榫接触区域的下边缘,且接触表面存在大量的微动磨屑,属于典型的微动疲劳失效形式。试验结果表明:温度环境对微动疲劳寿命的影响较为明显。随着试验温度的升高,试验件的微动疲劳寿命会逐渐减小。      

基于平均扩展速率的裂纹扩展模型

不同于基于线弹性断裂力学（LEFM）的经典裂纹扩展模型,基于平均扩展速率的裂纹扩展模型通过形式简单的经验公式来描述随机载荷谱下单位飞行小时的平均裂纹扩展,该模型将随机谱当作"当量常幅谱"处理,模型中仅有两个特征参数,反映了所有复杂的载荷顺序效应及其他影响。基于该模型,进一步提出速率类比法则,可基于试验谱下扩展速率对未试验谱下扩展速率进行合理预测。首先介绍了基于Frost&Dugdale公式和基于Paris公式的平均扩展速率模型的内涵及参数推导方法,然后通过典型机身框关键部位模拟件在多种随机谱下的疲劳试验数据对平均扩展速率模型和速率类比法则进行试验验证。经对比分析,推荐使用基于Paris公式的平均扩展速率模型。经验证,采用基于Paris公式的模型和速率类比法则,可实现随机载荷谱下裂纹扩展速率和寿命的高精度预测。同时,速率类比法则的准确度与理论参数推导时选取的经典LEFM模型有关。平均扩展速率模型和速率类比法则为外场飞机单机寿命监控提供了一种可靠的疲劳寿命预测方法。