桥梁结构钢裂纹塑性区的研究及应用

为了研究裂纹塑性对裂纹扩展的影响,利用工程简化算法、应力函数法、扩展有限元法对桥梁钢裂尖塑性区的尺寸和形状分别进行了计算;由于平面应力和平面应变情况下尾迹场循环塑性的特性不同,利用不连续扩展有限元对两种情况下尾迹场的循环塑性和塑性累积进行了模拟分析,探讨了裂尖塑性区、循环塑性区的形成和尾迹场产生压应力的机理.研究结果表明:裂尖塑性区尺寸与应力水平（名义应力与屈服极限的比值）的平方成正比,当应力水平大于0.4时,裂尖塑性区尺寸需要考虑应力水平的影响;裂尖塑性区的形状以蝶形向前伸展,使裂纹尾迹场免受裂尖高应力场的拉伸作用,有利于裂纹闭合;裂尖塑性区存在材料的逆向流动,在循环塑性区裂纹表面的塑性累积产生压应力效应有利于裂纹提前闭合,这种塑性诱发的裂纹提前闭合对研究变幅加载、过载引起的裂纹扩展滞后有重要意义.      

基于疲劳累积损伤的弹塑性裂纹扩展分析

根据裂尖疲劳损伤累积导致材料破坏的观点,发展了一个弹塑性疲劳裂纹扩展模型. 假设在裂纹前缘HRR场内存在一个高应变区,该区长度x*等于材料常数D、其塑性 变程是△尹,由N区朋on公式求出对应于△a*的疲劳破坏循环数N白,则疲劳裂纹扩 展速率就是x‘/N,。新模型建立了材料低周疲劳特性与弹塑性裂纹扩展规律之间的 联系。由模型计算得到的弹塑性裂纹扩展速率与实验结果的比较表明,二者吻合良 好。      

WEL-TEN780A高强钢及焊接接头疲劳裂纹扩展速率

依据GB6398-86,采用紧凑拉伸试样(CT),对WEL-TEN780A钢及其用L-80SN焊条手工电弧焊焊接接头的焊缝和热影响区的疲劳裂纹扩展速率进行了研究.结果表明在相同的疲劳循环载荷作用,
热影响区疲劳裂纹扩展速率高于母材和焊缝,焊缝金属具有最低裂纹扩展速率.焊缝金属中的针状铁素体细小且被大角度晶界所分割,疲劳裂纹扩展时要消耗更大的能量,从而降低裂纹扩展速率,成为止裂型焊缝.     

16MnR钢焊接接头疲劳裂纹扩展行为及裂纹闭合效应的研究

测定了16MnR母材、焊缝以及热影响区三种试件的疲劳裂纹扩展速率和在四个应力比(R=0.1,0.3,0.5,0.8)下的门槛值。得到了在疲劳裂纹扩展中速区和低速区的扩展规律。此外,还研究了残余应力和应力比对该钢种疲劳门槛值的影响,以及近门槛值域内疲劳裂纹的闭合效应。     

疲劳裂纹扩展速率(da)/(dN)的超声瑞利波测量

本文应用超声瑞利波在含有裂纹的试件内传播性质的变化特征,采用脉冲回波重合法,精确测定裂纹开口处和裂纹尖端处瑞利波两个脉冲反射信号的时延,从而测定出在疲劳载荷作用下,裂纹的扩展尺寸.测量疲劳裂纹扩展速率da/dN的精度可达到10~(-3)mm/周次,适应于在弹塑性区域内疲劳裂纹扩展速率的测定.     

少筋混凝土梁三点弯曲断裂过程的数值模型

基于少筋混凝土结构的破坏原理,提出了混凝土裂纹处存在钢筋的力学分析模型,把钢筋对混凝土的作用力假想为一对集中力,钢筋位于混凝土弹性区时,认为钢筋与混凝土连为一体;当钢筋与混凝土裂纹相遇时,考虑钢筋与混凝土之间存在脱粘的部分段。同时根据直线形的混凝土拉应变软化曲线,在过程区各节点上设置无体积、无长度的虚拟弹簧,对少筋混凝土三点弯曲试件的断裂过程进行有限元数值分析。模拟了不同配筋率下少筋混凝土三点弯曲试件起裂、扩展、破坏的全过程,计算结果显示:配筋率对裂缝扩展有很大影响。     

基于应变梯度的微切削第一变形区几何分析模型的研究

应用应变梯度塑性理论构建了微切削第一变形区的力学模型,在此力学模型的基础上提出了第一变形区几何尺寸的分析预测方法和影响因素,得出当材料的内禀长度l越小,即材料相对均匀时,第一变形区厚度赿小.当切削厚度增大时,第一变形区的长度增大.设计了正交切削实验来验证模型的有效性,实验结果表明随着进给量的增大,第一变形区厚度减小而第一变形区的长度反而增大.     

混凝土劈裂试件断裂过程的数值模拟

将Duan—Nakagawa模型解析得到的断裂过程区上的应力和位移场转化为节点上的无体积、无长度的虚拟弹簧代替拉应变软化曲线，对混凝土劈裂试件的断裂过程进行有限元数值分析。在算例中，把裂纹尖端张开位移与材料的极限抗拉强度作为控制裂纹扩展过程的参数，模拟了混凝土劈裂试件起裂、扩展、破坏的全过程，与试验结果吻合良好。     

铁路车辆ZG25钢铸件疲劳浅裂纹特性试验研究

通过试件试验，揭示了ＺＧ２５钢疲劳浅裂纹的长度与扩展速率和门槛值的关系，以及扩展速率与应力强度因子幅的变化关系。分析确定了ＺＧ２５钢的浅裂纹最大尺寸。用有效应力强度因子幅，并在其中引进材料的参数，作为裂纹扩展的控制参量，使浅裂纹和长裂纹的数据点处在同一个分布带内，即可用一个关系式来描述浅裂纹和长裂纹的扩展规律。     

基于断裂力学的钢桥面肋-板接头疲劳寿命预测

为研究反复荷载作用下正交异性钢桥面中U型肋与桥面板焊接接头的疲劳性能,基于断裂力学基本理论,利用有限元方法,进行了肋-板接头的疲劳寿命评估.根据正交异性钢桥面与U型肋连接构造基本形式,利用有限元软件ANSYS建立了包含3个U型肋的正交异性钢桥面平面有限元模型;考虑肋-板连接位置处焊接细节的4种典型裂纹,计算了2个加载工况下各裂纹处等效应力强度因子,并分析了初始裂纹长度、桥面板厚度、U型肋高度和U型肋厚度对等效应力强度因子的影响规律;依据Eurocode 3规范中正交异性钢桥面肋-板接头加载模式,采用桥面板与U型肋连接构造二维有限元模型,计算得到典型裂纹的等效应力强度因子,建立了基于断裂力学疲劳扩展模型为基础的正交异性钢桥面肋-板接头的疲劳寿命预测方法.研究结果表明:基于线弹性断裂力学原理计算得到的疲劳寿命均大于Eurocode 3规范计算值,桥面板厚度选用16~18 mm及将初始裂纹长度控制在0.1 mm以下可有效地提高板-肋接头疲劳寿命.     

基于Fe-SMA的钢桥面板疲劳裂纹装配式主动加固方法

为实现对钢桥面板的快速加固,提出了基于铁基形状记忆合金(Fe-SMA)的钢桥面板疲劳裂纹新型装配式主动加固的方法;通过精细化双面加固有限元模型计算结果及对初步激活与加载试验的观察,验证了加固系统安全性与可靠性;在此基础上以U肋对接焊缝的疲劳裂纹为研究对象,根据线弹性断裂力学,结合该疲劳细节受力与开裂特征,采用循环荷载作用下表面裂纹和中裂纹尖端的Ⅰ型裂纹应力强度因子幅值对加固系统的加固效果进行评价,确定了针对不同长度裂纹的具体加固方案。研究结果表明:基于Fe-SMA的钢桥面板疲劳裂纹主动加固方法可将裂纹尖端应力强因子幅值降低至扩展阈值以下,能有效遏制疲劳裂纹的进一步扩展;对于长度在50 mm以下的未贯穿型疲劳裂纹可采用宽度为60 mm的Fe-SMA进行加固,裂纹前缘关注点应力强度因子降幅达90%以上;当贯穿型疲劳裂纹长度为50~120 mm时,可采用宽度为120 mm的Fe-SMA进行加固;当疲劳裂纹长度为120~350 mm时,需采用底板、腹板同时加固的方法来对疲劳裂纹进行加固,均能达到理想的止裂状态。      

聚碳酸酯板Ⅰ型裂纹尖塑性区实验研究

用国产聚碳酸酯板,制成中心Ⅰ型裂纹试样,在同步坐标偏光仪中测量了不同载荷水平下裂纹尖的塑性区尺寸rp,所得实验结果与Irwin塑性区模型和Dugdale塑性区模型进行了比较.结果表明:裂纹尖塑性区尺寸rp分三个阶段依次吻合于Irwin平面应力模型、Irwin平面应变模型和Dugdale模型.     

应力比R对09CuPCrNi钢焊接接头疲劳裂纹扩展门槛值△K_(th)的影响

本文根据国标GB6398-86,采用逐级降载法求出了在不同应力比R条件下,09CuPCrNi钢母材、焊缝和热影响区金属的疲劳裂纹扩展门槛值△K_(th)的表达式。发现,当应力比R达到某一值R_(C.th)之前,母材,焊缝和热影响区的门槛值△K_(th)随着应力比R的增大而减小;当R超过R_(C.th)之后,其门槛值均保持不变。文中还重点叙述了裂纹闭合应力强度因子K_(cl)的计算方法,证实焊接接头的闭合效应远高于母材金属,并对上述规律作了分析和解释。     

聚碳酸酯板Ⅰ型裂纹尖塑性实验研究

用国产聚碳酸酯板,制成中心Ⅰ型裂纹试样,在同步坐标偏光仪中测量不同载荷水平下裂纹尖的塑性区尺寸ｒｐ,所得实验结果与Ｉｒｗｉｎ塑性模型和Ｄｕｇｄａｌｅ塑性区模型进行了比较,结果表明：裂纹尖塑性区尺寸２ｒｐ分三个阶段依次吻合于Ｉｒｗｉｎ平面应力模型、Ｉｒｗｉｎ平面应变模型和Ｄｕｇｄａｌｅ模型。     

沥青路面表面裂纹扩展模拟及影响因素分析

用基于线弹性断裂力学的有限元法，计算了3种深度路面表面裂纹分别在5种载荷(工况)作用下的应力强度因子及裂纹起裂角，模拟了表面裂纹向下扩展的路径，并分析了路面结构层组合和温度对沥青路面表面裂纹扩展的影响．结果表明，温度、结构层厚度和面层弹性模量对裂纹扩展有明显的影响，且表面裂纹深度越大，影响越显著．     

钢筋混凝土界面疲劳裂纹扩展模拟研究

界面脱粘是钢筋混凝土材料与结构的主要失效形式之一。基于剪切筒模型和常用疲劳加载方式，首先建立了循环荷载作用下钢筋与混凝土界面脱粘应力的计算模型；然后根据断裂脱粘准则，借助描述疲劳裂纹扩展的Paris公式，得到了脱粘界面疲劳裂纹扩展速率、扩展长度以及脱粘界面上摩擦系数与循环加载次数的关系；最后对处于循环荷载作用下的钢筋与混凝土界面进行裂纹扩展的模拟计算与分析。结果表明。摩擦系数的衰减程度是影响界面脱粘应力大小及裂纹扩展快慢的主要因素，而且材料的尺寸效应对界面疲劳特性的影响也不容忽视。     

钢桥面板与纵肋焊缝疲劳评估及裂纹扩展研究

为研究正交异性钢桥面板纵肋与顶板连接焊缝的裂纹扩展特性并建立相应的疲劳寿命评估方法,考虑裂纹扩展模拟方法以及材料特性等因素对于裂纹扩展过程与疲劳寿命预测的影响,以某长江公路大桥重载交通钢桥面板为研究对象,进行了疲劳模型试验和理论研究. 综合运用疲劳试验与断裂力学数值模拟研究起始于焊根位置裂纹的疲劳寿命评估问题,探明了疲劳裂纹的扩展特性. 研究结果表明:基于常幅疲劳加载的寿命预测结果与试验实测值间的相对误差小于10%,且预测结果偏于安全;裂纹扩展路径及裂纹面空间形态等扩展特性与疲劳试验相吻合;裂纹扩展模拟方法、扩展角计算准则、材料特性和初始裂纹深度是疲劳寿命预测的关键影响因素;起始于焊根的疲劳裂纹属于Ⅰ型主导的复合型裂纹,疲劳寿命评估应考虑Ⅱ型与Ⅲ型裂纹的影响;裂纹面呈现出典型的空间曲面特征,其深度与长度之比介于0.20～0.63之间,最大扩展角为12.7°;疲劳寿命评估结果对于初始裂纹深度取值较为敏感,应结合工程实际确定合理取值.      

水泥砂浆脆性材料表面裂纹扩展模式研究

采用粘贴式轴拉方法可实现水泥砂浆脆性材料的直接拉伸过程,在此基础上研究表面裂纹的扩展模式.研究发现,粘贴式轴拉方法可以满足一般脆性材料的直接拉伸实验,水泥砂浆脆性材料表面裂纹的存在极大地影响着材料的破坏模式,试件的正面表现出明显的二维穿透性裂纹的扩展形态,但受其影响试件的最终贯通方向不与加载方向垂直,而是呈一倾角.     

15MnVNq桥梁钢焊接接头疲劳裂纹及扩展行为的研究

采用GB6359-86规定的方法,运用数理坑计方法回归处理数据,归纳得出了15MnVNq桥梁钢的疲劳裂纹扩展中速区母材、焊缝和热影响区金属的Paris公式表达式,以及疲劳裂纹不扩展门槛值回归曲线△K_(th)(R)。并在疲劳断口微观形貌的研究方面进行了尝试,得到了二次裂纹影响疲劳裂纹扩展的证据。在残余应力影响紧凑拉伸(CT)试样疲劳裂纹扩展的研究方面也取得了进展。     

钢轨踏面疲劳裂纹扩展行为分析

根据试验观察的裂纹尖端特征,建立了钝形疲劳裂纹模型,以裂纹尖端位移为断裂参量,分析了U75V钢弹塑性情况下踏面疲劳裂纹扩展特性。结果显示：踏面疲劳裂纹尖端有较大的塑性区,应采用弹塑性断裂力学理论分析踏面疲劳裂纹的扩展行为;裂纹尖端滑动位移受轮轨力、轮轨摩擦系数和裂纹面摩擦系数影响,其中裂纹面摩擦系数对裂纹尖端滑动位移影响最大。裂纹尖端张开位移主要受轮轨力和轮轨摩擦系数影响。利用塑性复合系数分析踏面疲劳裂纹扩展特性,认为踏面疲劳裂纹主要以Ⅰ／Ⅱ复合型扩展方式扩展。