钛合金疲劳裂纹扩展速率试验及预报方法

本文针对深海载人潜水器耐压壳用钛合金,开展疲劳性能试验研究,得到该类型钛合金的室温断裂韧性,载荷比R=0.1下的疲劳裂纹扩展门槛值及疲劳裂纹扩展速率,基于选用的疲劳裂纹扩展预报模型,对载荷比R=0.1下的钛合金疲劳裂纹扩展行为进行了预报研究。结果表明:在载荷比不变的前提下,应力强度因子范围是疲劳裂纹扩展速率的主要影响因素,应力强度因子范围的增加会导致疲劳裂纹扩展速率增加;考虑小裂纹效应的疲劳裂纹扩展预报模型可对钛合金的疲劳裂纹扩展行为进行准确预报。     

广义疲劳裂纹扩展模型在单一过载疲劳问题中的应用

对于复杂载荷作用下的船舶及海洋工程结构物,至今仍没有一个统一的疲劳寿命预报模型能够很好地解释载荷次序效应的影响.单峰过载下的疲劳裂纹扩展问题是研究变幅载荷疲劳问题的基础,伴随单峰过载将出现疲劳裂纹扩展迟滞现象.课题组所提出的广义疲劳裂纹扩展模型能够定量地预报出过载迟滞这一现象,通过确定过载参数β的大小,能够有效地衡量出过载迟滞的程度.在此基础上,文章将广义的疲劳裂纹扩展模型进行了进一步的修正,通过引入一个幂指数项,使得模型能够更好地反映出过载后疲劳裂纹扩展速率由迟滞的最低点逐渐恢复到过载前的水平.文中将课题组所发展的广义疲劳裂纹扩展率模型应用于实际的单峰过载疲劳问题中,并引用铝合金D16Cz的单峰过载试验数据与模型预报结果进行了比较,结果发现,经修正的广义疲劳裂纹扩展模型能够更好地反映出单峰过载后的疲劳裂纹扩展情况.     

一种改进的疲劳裂纹扩展表达式

疲劳裂纹扩展率表达式是采用疲劳裂纹扩展理论预报疲劳寿命的核心.迄今为止,已有上百种不同的疲劳裂纹扩展率公式被提出.近年来,作者们致力于对新近提出的裂纹扩展率公式进行比较研究.通过初步研究发现,McEvily公式能解释比较多的异常疲劳现象,因此,它有比较强的预报能力,值得作深入研究.本文针对它采用固定斜率不能与很多实验结果有很好拟合的缺点,提出采用变斜率的改进形式.通过采用不同材料(钛合金D16Cz、铝合金D16Cz、ARMCO-iron)、不同应力条件(R≥0、R＜0、R=-∞)下的疲劳裂纹扩展数据进行分析验证,发现不管是疲劳短裂纹扩展还是疲劳长裂纹扩展,改进后的McEvily关系均具有良好的疲劳性能预测能力.     

船体纵骨典型节点疲劳裂纹扩展寿命评估

基于有限元软件ABAQUS,结合虚拟裂纹闭合法、裂纹扩展判据及子结构技术,应用脚本语言Python开发出模拟疲劳裂纹扩展的程序(FCG-System)。对含初始裂纹的油船纵骨典型节点在侧面压力作用下进行疲劳裂纹扩展数值模拟,并探讨了软趾、背肘板及防倾肘板对疲劳裂纹扩展路径和寿命的影响。结果表明,增设软趾、背肘板或防倾肘板都会使裂纹扩展路径曲率增大,且软趾、防倾肘板可使裂纹扩展寿命增大,背肘板可使裂纹扩展寿命减小。     

船体纵骨疲劳裂纹扩展及寿命分析

基于有限元软件ABAQUS,结合虚拟裂纹闭合法、裂纹扩展判据及子结构技术,应用脚本语言Python开发了模拟疲劳裂纹扩展的程序(FCG-System)。对含初始裂纹的油船纵骨节点疲劳裂纹扩展进行数值模拟,并探讨侧向压力和轴向拉力这两种载荷对疲劳裂纹扩展路径和疲劳寿命的影响。结果表明,两种加载方式下裂纹扩展路径不同,且面板断裂前的疲劳寿命在总寿命中占据很大的成分。     

潜艇结构疲劳强度研究综述

随着高强钢潜艇下潜深度的增加，疲劳问题就更显突出。本文叙述了潜艇结构疲劳强度研究的方法及发展概况；分析了焊接残余应力、介质、多裂纹并存对焊接结构疲劳寿命的影响，提出应使用有限元数值模拟计算和试验相结合的方法深入研究；最后提出尚需研究的几个问题。     

小时间域裂纹扩展模型的可靠性分析

准确的裂纹扩展率模型是结构疲劳寿命预报的基础.考虑单个循环内裂纹长度变化的小时间域裂纹扩展率模型,能够在复杂载荷条件下计算任意微小时间域内的裂纹扩展增量.文章首先介绍了一种可用于水下耐压结构疲劳寿命分析的小时间域蠕变疲劳裂纹扩展模型,并对模型参数的敏感性进行了分析.然后选取其中几个参数作为随机变量,运用JC法、EMORM法和Monte-Carlo法计算该模型在不同裂纹长度的裂纹扩展速率的可靠度.     

基于统一的疲劳寿命预报方法（UFLP）的深潜器载人舱疲劳可靠性分析

疲劳是承受循环载荷的金属结构最重要的失效机制,现已有多种金属疲劳寿命预报方法。实际的设计、制造、加工和操作等工序环节中总是存在不确定性,这些不确定性的影响将在结构的疲劳寿命中富集,为此发展了疲劳可靠性分析。该文讨论了将疲劳可靠性分析方法和统一的疲劳寿命预报方法（UFLP）相结合的可行性,为海洋结构物的安全使用提供参考。文中的极限状态方程是基于统一的疲劳寿命预报方法（UFLP）得到的,并讨论了其中各参数对疲劳寿命的影响;针对一组TC4-ELI的疲劳裂纹扩展数据,分别采用Monte-Carlo法和JC法开展了疲劳可靠性分析,两种分析方法得到的结果彼此符合得较好。     

基于双参数统一方法的深海结构物疲劳裂纹扩展影响参数研究

影响裂纹扩展的因素很多,文章基于作者们在PRADS2007会议上提出的双参数裂纹扩展率一般表达式,分析了裂纹初始形状、初始大小对裂纹扩展的影响.并在该裂纹扩展率公式的基础上,基于改进的Wheeler模型,提出了一个考虑载荷比、载荷次序的双参数统一裂纹扩展率表达式.研究表明,文中给出的双参数裂纹扩展率公式能够考虑初始裂纹的形状、大小对裂纹扩展的影响;建立的过载扩展公式,能够反映过载对裂纹扩展的延滞效应,和高强度钢的疲劳试验结果相比较,两者吻合良好.     

T型接头横向埋藏裂纹扩展特性

基于断裂力学理论和有限元分析,研究T型接头横向埋藏裂纹扩展特性,实现了双向拉伸载荷作用下T型接头横向埋藏裂纹扩展形状变化的数值模拟。结果表明:T型接头横向埋藏裂纹扩展至结构表面时的形状为近圆形,与裂纹埋藏位置和初始形状无关;埋藏于焊趾端部板材中的裂纹扩展快于埋藏于焊缝中的裂纹扩展。     

二维疲劳裂纹扩展的有限元方法模拟研究

疲劳裂纹扩展率曲线是比S—N曲线更基本的描述金属疲劳特性的曲线。由于实验条件和经费等因素的限制，疲劳裂纹扩展的数据很难获得，因此寻找一种结合有限元方法进行疲劳实验数据模拟，然后使用计算机数学工具进行相关计算分析的方法显得比较现实和具有探索性。本文对现有的一些疲劳分析有限元软件进行了对比，最终选择在国内疲劳研究领域尚未被熟知的FRANCE2D／L软件作为工具，获得二维疲劳裂纹扩展的相关数据。     

基于裂纹缺陷的水下耐压壳体结构强度与稳定性研究

本文针对初始裂纹缺陷下的水下耐压壳体结构强度与稳定性失效问题。首先建立CT裂纹扩展试件的仿真模型,通过与试验结果比对验证裂纹仿真模型的有效性。随后建立无缺陷状态下的水下耐压结构有限元模型,对其强度与稳定性进行校核。在此基础上引入裂纹缺陷,建立非线性耐压结构强度与稳定性分析模型,研究不同裂纹缺陷参数对于结构强度与稳定性的影响规律,为结构裂纹扩展与寿命问题的研究提供技术支撑。     

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。     

潜艇锥柱典型节点表面裂纹扩展数值模拟

锥柱结合处是潜艇结构疲劳破坏的热点区域。本文以潜艇锥柱结合壳结构典型节点为研究对象,以断裂力学为理论基础,使用APDL语言对ANSYS软件进行2次开发,分析潜艇耐压壳结构典型节点表面裂纹在交变载荷作用下的扩展过程,并与试验结果进行对比,结果表明本方法可较好地模拟表面裂纹的疲劳扩展。     

随机载荷作用下焊接结构表面裂纹扩展研究

随机载荷作用下焊接结构表面裂纹的扩展问题是工程结构中常见的问题.文中设计了随机载荷作用下焊接结构的疲劳断裂试验,试样由平板以一定的角度焊接而成,配合相应的夹具采用轴向加载,在MTS疲劳试验机上进行试验,采用应变片对裂纹的萌生进行监测,用降载勾线法描绘裂纹的扩展形貌,最后利用试验数据对文献中提到的等效厚度法和等效应力强度因子法进行了验证,结果表明:这两种方法的计算结果都与试验结果比较接近,可以用于计算表面裂纹的疲劳扩展.     

考虑裂纹扩展的周向裂纹损伤圆柱壳的极限强度

为了正确评价和预测大型海洋平台结构在疲劳裂纹损伤条件下的承载能力,须要全面、系统地研究圆柱壳这类基本构件在考虑裂纹扩展条件下的极限强度。针对含周向壁穿裂纹损伤的圆柱壳,利用已有的关于弹塑性裂纹及裂纹扩展的理论解析解,通过系列计算,探讨了裂纹初始长度、圆柱壳直径板厚比、材料的临界CTOD、临界CTOA、屈服应力及杨氏模量等参数对极限强度的影响,并就其对各参数的敏感度作了相应的分析。提出极限强度损失系数κ、强度冗余系数λ及裂纹剩余扩展长度ξ等无因次参数,并以此定量地评价由裂纹扩展所引起的结构承载能力的变化。这项研究为进一步合理地评估含裂纹损伤的结构系统整体的极限强度完成了一项基础性工作。     

复杂载荷作用下潜艇结构疲劳裂纹扩展预报方法

统一疲劳裂纹扩展模型是课题组在McEvily模型基础上提出来的,它将疲劳裂纹扩展的3个扩展区域统一起来,并能解释更多的疲劳试验现象.本文介绍了统一疲劳裂纹扩展模型的基本表达式.将此模型与焊缝焊趾表面裂纹应力强度因子的计算方法结合起来,探讨复杂载荷作用下潜艇结构疲劳裂纹扩展预报方法.将服从Weibull分布的随机载荷系列编排为升序、降序载荷谱及随机载荷谱,预报潜艇锥柱结合壳焊缝焊趾处表面裂纹在3种载荷谱下的疲劳裂纹扩展情况,并分析随机载荷谱下载荷次序效应及初始裂纹尺寸对疲劳裂纹扩展行为的影响.结果表明,载荷次序效应对潜艇结构疲劳寿命的影响很明显,且合理的确定初始裂纹尺寸对潜艇结构的疲劳寿命预报是非常重要的.     

基于能量原理的断裂力学参数Kc与KIC之关系

用断裂力学分析问题时,广泛应用的是Ｋ判据。本文从Ｇｒｉｆｆｉｔｈ能量理论出发,讨论了延性金属裂纹扩展的能量平衡关系,提出了裂类塑性区的变形缩聚模型假设,并以此为基础,建立了延性金属材料的Ｋｃ和ＫＩＣ的关系式,为断裂强度设计和断裂失效分析提供实用的估算公式,也为揭示断裂力学参数间的本质关系作了有益的探索。