三维裂纹前缘应力强度因子数值计算方法

本文建立了采用20节点奇异元1/4节点位移法求解三维裂纹整个前缘3种类型应力强度因子的数值计算方法,给出了裂纹网格划分方法以及网格划分参数取值范围;基于平板表面裂纹研究了网格划分参数对应力强度因子计算结果的影响,并与Newman-Raju解析公式计算结果对比验证了数值方法的准确性,二者最大误差小于2%;采用数值计算方法计算了裂纹扩展标准三点弯曲样扩展过程中单边穿透裂纹前缘应力强度因子,并与解析公式计算结果进行对比分析,二者最大误差为4.7%,且随着裂纹扩展,误差越来越小。结果表明,提出的数值方法可用于含裂纹结构整个裂纹前缘不同类型应力强度因子求解中。     

三维裂纹扩展数值预报方法研究

基于线弹性断裂力学理论及有限元法并结合ANSYS中的APDL语言,建立了三维裂纹扩展形貌及寿命的数值预报方法,给出了计算流程。采用20节点奇异单元和1/4节点位移法求解裂纹前缘应力强度因子,给出了裂纹体网格划分方式及网格划分参数的取值0范围。采用最大环向应力准则预测裂纹偏折角度,并将等效应力强度因子作为计算裂纹扩展增量及裂纹扩展寿命的参数。对标准三点弯曲试样裂纹扩展寿命及紧凑拉伸剪切试样的裂纹偏折路径进行预测,并与试验结果进行比较,验证了该数值预报方法的准确性。该项研究为船舶与海洋工程结构疲劳裂纹扩展预测提供了一种有效的方法。     

基于改进的统一疲劳裂纹扩展速率模型的表面裂纹扩展规律预报

很多学者对表面裂纹形状变化规律进行了研究,但是理论上仍存在较大缺陷,因此现有方法预报结果的准确性有待考察。文章作者们提出了一个改进的统一疲劳裂纹扩展速率模型,本模型合理考虑了材料的非线性效应和裂纹前缘的三维约束效应及三维约束大小在前缘各点的分布函数。通过引入等效厚度的概念及法线方向扩展的假定较好地考虑了裂纹前缘各点对扩展之后形状比变化规律的影响,预报得到的裂纹前缘形状能够观察到明显的边界点扩展滞后现象,同时本模型预报结果与试验结果及传统模型预报结果进行了比较,证明本模型提高了表面裂纹扩展规律预报的精度。     

试样厚度对船用钢疲劳裂纹扩展速率影响的试验

为研究试样厚度对船用钢疲劳裂纹扩展速率的影响,设计并实施两组不同厚度的紧凑拉伸试样进行疲劳裂纹扩展速率试验,同时建立了三维疲劳裂纹扩展有限元模型,分别基于线弹性理论和弹塑性理论对应力强度因子进行了计算,并分析了试样厚度对裂纹扩展速率的影响。试验与计算结果的综合分析表明：相同应力水平下,薄试样裂纹尖端的塑性区明显大于厚试样,且裂纹尖端应力强度因子值大于理论经验计算结果可达23.25%,因此,在材料裂纹扩展速率试验前,特别是试样厚度尺寸较小时,应充分考虑试样的厚度效应,参考基于弹塑性理论计算得到的应力强度因子结果,同时有必要针对当前试样及材料进行专门的裂纹扩展速率试验,以得到准确裂纹扩展参数结果。     

试样厚度对船用钢疲劳裂纹扩展速率影响的试验

为研究试样厚度对船用钢疲劳裂纹扩展速率的影响,设计并实施两组不同厚度的紧凑拉伸试样进行疲劳裂纹扩展速率试验,同时建立了三维疲劳裂纹扩展有限元模型,分别基于线弹性理论和弹塑性理论对应力强度因子进行了计算,并分析了试样厚度对裂纹扩展速率的影响。试验与计算结果的综合分析表明:相同应力水平下,薄试样裂纹尖端的塑性区明显大于厚试样,且裂纹尖端应力强度因子值大于理论经验计算结果可达23.25%,因此,在材料裂纹扩展速率试验前,特别是试样厚度尺寸较小时,应充分考虑试样的厚度效应,参考基于弹塑性理论计算得到的应力强度因子结果,同时有必要针对当前试样及材料进行专门的裂纹扩展速率试验,以得到准确裂纹扩展参数结果。     

基于能量释放率理论的三维应力强度因子显式闭合解

基于能量差率基本原理,以非穿透裂纹深度的相对值作为控制裂纹虚比例扩展的无量纲几何参量,构造求解裂纹张开位移幅值的伯努利微分方程,导出以裂纹绝对尺寸和相对尺寸为参数的裂纹张开位移幅值表达式,得到有限大体非穿透裂纹三维应力强度因子闭合解.并给出无量纲应力强度因子与各种相对尺寸参数关系的显式表达式,计算结果与Newman的有限元分析结果基本-致.该方法在工程结构损伤容限与耐久性设计应用中更加便捷、高效.     

T型管节点焊趾表面裂纹扩展行为的三维断裂力学分析

本文对海上平台T型管节点焊趾三维空间翘曲表面裂纹问题用6869自由度、半带宽1187的特大规模作了三维有限元分析，计算了沿裂纹前缘的KⅠ、KⅡ和KⅢ分布。在此基础上，对焊趾表面裂纹的疲劳扩展行为作了分析，绘制了裂纹扩展特性曲线，并根据特性曲线对扩展寿命进行了估算。预测结果与海上平台管节点委员会的试验结果相符。     

基于改进McEvily裂纹扩展模型的新型钛合金疲劳可靠性分析

针对传统的Paris裂纹扩展模型在可靠性研究中不能考虑小裂纹扩展过程的问题,本文基于改进McEvily裂纹扩展模型,建立疲劳可靠性的极限状态计算方程,采用一次二阶矩验算点法对可靠度指标及其参数敏感性进行计算分析。通过与基于Paris裂纹扩展模型的可靠性结果对比表明:改进McEvily裂纹扩展模型下的可靠度指标为4.17,在Paris裂纹扩展模型下的可靠度指标为4.08,Paris模型只考虑了裂纹稳定扩展的过程,其可靠性计算结果更为保守;通过参数灵敏度分析得知,不确定变量中的材料参数m、初始裂纹尺寸a0、临界裂纹尺寸ac对可靠度指标有较大程度的影响。小裂纹扩展阶段的主要影响参数即裂纹闭合水平k,其变异系数对失效概率的影响较小但系数达到0.16时失效速率有进一步增长趋势。     

考虑塑性损伤的船体裂纹板低周疲劳裂纹扩展行为研究

船舶结构的扩展断裂失效往往是低周疲劳破坏和累积递增塑性破坏耦合作用的结果,疲劳裂纹的扩展就是裂纹尖端前缘材料刚度不断降低延展性不断耗失而逐渐分离的结果.基于弹塑性断裂力学理论,文章提出了考虑累积塑性损伤的低周疲劳裂纹扩展速率预测模型.通过低周疲劳裂纹扩展试验拟合出模型相关材料参数并验证预测模型的合理性.通过系列有限元计算对平均应力及应力幅值的影响因素进行了数值分析.该模型的计算结果与已有实验结果基本吻合;对合理预估船体裂纹板的常幅低周疲劳裂纹扩展寿命有重要意义.     

深海超高压环境模拟容器裂纹评定

深海超高压环境模拟容器用于模拟水下压力环境,其容器壁上承受反复载荷,容易产生疲劳裂纹.疲劳裂纹扩展是影响其断裂的主要因素.本文旨在分析半椭圆裂纹在老化的深海超高压环境模拟容器中的扩展行为,评估容器的安全性,因此对材料20MnMoNb钢的裂纹扩展特性进行了试验研究,首先考虑三角形和梯形加载情况,通过比较两组实验结果,考察了其材料对保载时间的敏感性.采用基于统一的裂纹扩展率模型的三维有限元方法进行了疲劳裂纹扩展计算,并通过CT试样的一组数值和实验结果进行了验证,最后建立了不同初始尺寸、展弦比和倾角的裂纹有限元模型,并根据裂纹在容器内壁的容许深度准则,计算了容器的剩余寿命.其分析结果可为深海超高压环境模拟容器可靠性评估提供参考.