基于有限元法的柴油机曲轴裂纹扩展模拟研究

以某型直列柴油机曲轴为研究对象,建立曲轴的有限元模型,采用子结构技术对有限元模型进行模态缩减。应用AVL.Excite进行曲轴的多体动力学仿真,经过应力恢复得到曲轴的应力分布,确定易产生裂纹的危险截面。采用1/4节点等参退化奇异单元模拟裂纹前沿应力奇异性,建立曲轴表面裂纹扩展的有限元模型,对不同深度椭圆裂纹的应力强度因子进行计算,最后拟合应力强度因子与裂纹深度的近似表达式,预测了其裂纹扩展寿命。     

斜连杆裂解工艺分析

介绍了柴油机斜连杆裂解工艺.研究了斜连杆较大外形尺寸对裂解连杆锻后控制空冷及裂纹扩展的影响及其结构不对称性对启裂的影响,分析了斜连杆在裂解试验和小批量试生产中出现的质量问题,并利用ABAQUS有限元对53D斜连杆进行了裂解启裂模拟.依据模拟结果提出了提高斜连杆裂解质量、优化斜连杆裂解工艺参数的合理建议.     

沥青混合料预缺口试件直接拉伸疲劳损伤分析

为了研究沥青混合料疲劳损伤断裂特性,应用断裂力学积分守恒定律,提出一种关于沥青混合料对称边缺口试件拉伸疲劳损伤的封闭解法,并根据有限元计算与有关试验结果的对比,确定了合适的试件缺口处应力集中系数和沥青混合料疲劳损伤特性参数,同时证明了在拉伸疲劳试验情况下所提出的沥青混合料非线性疲劳损伤模型的有效性.根据非线性有限元计算,分析了沥青混合料含缺口试件拉伸疲劳损伤开裂、裂纹扩展过程,讨论了不同阶段试件内部损伤度、拉应力的分布规律,以及它们和试件位移、疲劳寿命随预制裂纹起裂、扩展的变化规律.研究结果表明:基于疲劳损伤有限元和Paris公式的沥青混合料含缺口拉伸试件的疲劳损伤分析结果与直接拉伸疲劳试验结果基本一致,但基于Paris公式的计算结果无法反映试件在起裂和扩展初期阶段裂纹扩展速率的变化情况.     

沥青混合料小梁断裂试验与分析

本文利用切口小梁的疲劳断裂试验模拟了沥青路面裂纹的扩展行为,研究了裂缝位置对断裂情况的影响。并通过有限元分析软件ANSYS对不同应力水平和不同裂缝长度下的小梁应力强度因子进行了分析,并利用数值分析结果对小梁疲劳断裂试验现象进行了解释。     

沥青混凝土小梁断裂路径数值模拟研究

半刚性基层沥青混凝土路面是我国最为常见的路面结构形式,但沥青混凝土路面容易在使用过程中发生断裂,而沥青材料的疲劳断裂行为是半刚性基层沥青混凝土路面开裂的主要原因。通过使用扩展有限元方法对沥青混凝土三点预置缺口梁的疲劳裂纹扩展进行了数值模拟,并将数值模拟结果与试验进行了对比,发现两者在断裂形态上非常相似,并且裂纹在最初几次载荷加载时扩展尺寸较大。     

隧道围岩应力与裂纹扩展关系研究

该文以靖宇至辉南的龙岗隧道为研究载体,利用有限元方法分析隧道围岩的应力分布特征,并应用格里菲斯判据来分析围岩内裂纹扩展规律。研究表明,在硐室的周边拉应力区和应力集中程度高的区域易产生裂纹扩展。该工程中拉应力产生的部位主要在硐底中心附近,应力集中区分布于硐肩和拱角处,所以在硐底、硐肩和拱角处易产生裂纹扩展。     

基于AutoForm优化高强钢纵梁翻边开裂问题

针对汽车高强钢纵梁翻边开裂问题,对零件的材料力学性能和开裂原因进行分析。以经验方法从阻止裂纹源产生和裂纹扩展方面进行改模有一定效果但不能消除开裂问题。用AutoForm软件仿真模拟,对翻边工艺进行成形性分析,验证了经验方法和增加工艺缺口的有效性,以及模拟与实际的一致性。通过模拟,找到了工艺缺口的较优形式。将模拟结果应用于实际改模,解决了翻边开裂问题,减少了改模次数,缩短了优化周期,节约成本。     

Q420qE高强度结构钢的焊接接头力学性能标准

南京大胜关长江大桥采用Q420qE高强度结构钢。根据对焊接桥梁结构细节分类及其裂纹体模型的断裂力学分析、结构应力分类,给出3类结构细节的裂纹体断裂驱动力的典型结果。根据对Q420qE钢板及其焊接接头的全厚度深缺口宽板拉伸试验、夏比V形缺口冲击试验得到的大量试验结果,进行量化的统计分析,给出Q420qE钢板及其焊接接头的断裂抗力表达式。结合该桥Q420qE钢构件焊接接头的应力水平,根据断裂力学判据KI≤KC和计算、试验结果最终确定该桥Q420qE高强度结构钢的焊接接头力学性能标准。     

基于圆角滚压工艺的曲轴疲劳行为研究

利用有限元计算软件Abaqus,采用三维显式动力学计算,模拟曲轴圆角滚压过程。利用软件自带的二次开发程序,编写数据采集程序,得到了曲轴圆角表面和内部的应力分布情况。参照曲轴真实疲劳试验,对曲轴进行模拟弯曲疲劳试验,得到不同弯矩水平下曲轴圆角应力分布情况。将模拟弯曲疲劳试验得到的圆角工作应力与滚压后的圆角残余应力进行耦合计算,获得更为准确的曲轴疲劳强度,并依此对曲轴滚压参数进行优化,优化后的曲轴疲劳极限弯矩提高15.7%。     

基于应力强度因子的旧水泥路面沥青加铺层反射开裂特性研究

在路面改造中,旧水泥路面加铺沥青是一种十分有效的方法,但容易出现反射裂纹的问题。该文运用断裂力学和有限元数值模拟相结合的方法,研究在交通载荷作用下沥青表层反射裂纹扩展情况。通过应力强度因子对产生病害的路面进行了疲劳断裂寿命预估。探讨了裂纹反射深度、沥青加铺层弹性模量和厚度对产生病害路面疲劳断裂寿命的影响。研究表明:反射裂缝在交通载荷作用下以Ⅰ和Ⅱ型扩展为主;整个反射裂纹上最危险点在裂纹的边缘,比较容易发生裂纹扩展;交通载荷作用在水泥混凝土板边缘处对路面破坏最严重;反射深度越深,剩余的疲劳断裂寿命越少;增加沥青加铺层的厚度和降低沥青加铺层的弹性模量能够增加其疲劳断裂寿命;相比改变加铺层弹性模量,增加加铺层厚度对于路面的疲劳断裂寿命影响更明显。     

Off-set crack propagation analysis under mixed mode loadings

An assessment was carried out herein to study the eccentricity of cracks subjected to mixed-mode loadings. Several loading locations relative to a central line were selected to induce mixed-mode loadings, which were computed using a finite element method. An adaptive meshing technique was adopted during the simulation of crack propagation to ensure the singularity of stress at the tip of the crack. The stress intensity failure criterion was used and programmed, and the node splitting technique was used when the stress intensity factor reached the fracture toughness of the material to simulate crack propagations. It was found that large variations in the stress intensity factor were observed when off-set cracks were used, and that K _II decreased when loading distance increased, but increased when the off-set crack distance was increased. Both crack eccentricity and loading distance played important roles in producing mixed-mode loading, compared to the influence of central cracks. Correction factors were introduced to modify the calculation of stress intensity factors under mixed-mode loadings. Simulations of crack propagation were also conducted to study the effects of crack eccentricities and loading distances. It was found that the crack length, the loading distance relative to the central crack and the crack eccentricity dominated calculations of the integrity of cracked structures.     

冰劈效应对沥青路面表面裂缝的影响性分析

为研究冻融交替季节冰劈效应对沥青混凝土路面表面裂缝扩展的作用,基于断裂力学方法,采用ABAQUS有限元分析软件建立了路面结构模型,分别研究了路表裂缝在冰劈效应、温缩效应及二者结合作用下的应力强度因子随缝隙内积水深度、裂缝宽度以及裂缝长度等影响因素的变化规律及其相互之间的Pearson相关系数.研究结果表明:冰劈效应下,...     

高等级沥青路面基层底裂缝三维数值分析

裂缝尖端应力强度因子是判断裂缝开裂扩展的重要指标,本文应用有限元软件ABAQUS,建立了20结点等参立方体单元的有限元模型,采用奇异等参元法及断裂力学理论,对路面基层裂缝问题进行了数值分析,分析探讨了路面结构参数对基层裂缝应力强度因子的影响及应力强度因子K1和K2在基层裂缝扩展过程中的变化规律,并预估了裂缝的扩展寿命。计算结果真实反映路面结构的现象和规律,可为高等级公路抗裂设计提供依据。     

基于小孔扩张弹塑性理论的注浆起始劈裂压力研究

劈裂注浆技术已在众多岩土工程中成功应用,但劈裂注浆机理不明,起始劈裂注浆压力计算理论远远落后于工程实践的发展。为了揭示黏土注浆过程中起始劈裂注浆的力学机理,假定土体服从各向同性不排水条件,基于球形和柱形扩张弹塑性理论,采用应力转换方法,结合偏微分方程组的定解条件,得到2种小孔扩张问题的数值解,通过简化分析小孔扩张孔壁处土体单元的应力变化规律,建立了球形与柱形扩张弹塑性方程,并结合受拉破坏、剪切破坏以及临界状态极限破坏模型,提出黏土注浆3种起始劈裂压力解析解。解析解与数值解对比结果表明:当土体的超固结比(OCR)为2时,数值解与解析解计算扩孔压力一致,当OCR小于2(或大于2)时解析解计算扩孔压力略高于(或略低于)数值解,验证了不同超固结比下弹塑性解析解的合理性以及实用性。黏土劈裂注浆模型试验与参数分析表明:在黏土劈裂注浆过程中,先后经历土体压密、沿垂直小主应力方向产生起始劈裂以及裂缝扩展3个阶段;随着注浆压力的增大,注浆体周围土体先发生剪切破坏,随后浆液会填充剪切破坏面,再发生拉伸破坏;对比由剪切破坏、拉伸破坏以及临界状态极限破坏控制的球形和柱形扩张起始劈裂压力理论值与模型试验结果,柱形小孔扩张拉伸破坏理论方法和模型试验结果更吻合。     

橡胶-水泥稳定碎石持强增韧特性研究

为了增加水泥稳定碎石半刚性基层材料的韧性，有效提高其抗裂性能，以减少因基层开裂引起的路面反射裂缝，以粒径为2.36~4.75 mm的橡胶颗粒等体积替换同粒径的集料，制备了持强增韧型橡胶-水泥稳定碎石材料。橡胶颗粒掺量分别为该粒径集料总体积的38%、57%、76%和95%。采用材料试验系统（MTS）开展了7 d无侧限抗压强度试验、四点弯曲强度试验和劈裂强度与模量试验，揭示了无侧限抗压强度、最大劈裂与弯拉应变及劈裂动态模量随橡胶颗粒掺量的变化规律，提出了一种强度满足规范要求、模量可调控的水泥稳定碎石材料制备方法。研究结果表明：橡胶-水泥稳定碎石的7 d无侧限抗压强度随橡胶颗粒掺量的增加而减小，且两者呈幂函数关系，当掺量在80%以下时可满足规范中的强度要求；最大劈裂应变随橡胶颗粒掺量的增加而逐渐增大，在保证强度的基础上，极限应变最大可达到传统水泥稳定碎石的1.9倍，而弯拉应变则先增大后减小，在保证设计强度的前提下，极限应变最大可达到传统水泥稳定碎石的3.79倍；劈裂动态模量随橡胶颗粒掺量的增加而减小，两者呈幂函数关系；橡胶-水泥稳定碎石的韧性较传统水泥稳定碎石显著增强，从而提高了其作为半刚性基层材料的抗裂性能；橡胶颗粒的掺入使水泥稳定碎石在保证强度的前提下，实现了破坏应变显著增大（即断裂能显著增大）、模量可调可设计的功能。     

钢桥面沥青铺装层裂缝病害分析

为更准确地反映钢桥面沥青铺装层的裂缝尖端应力场特性及认识其扩展规律,以断裂力学为基础,研究了钢桥面沥青混凝土铺装层裂缝的形成及扩展机理。提出采用20节点等参单元、裂缝奇异单元,建立了铺装层线弹性断裂力学有限元模型,通过裂缝尖端应力强度因子的计算,研究了钢桥面沥青铺装层破坏情况对裂缝扩展的影响。研究表明,裂缝扩展的形式和速率受到铺装层开裂的长度和深度影响,应在其扩展到最不利情况前及时修补。     

表层嵌贴CFRP-混凝土结构的黏结性能研究

为研究嵌贴的CFRP与混凝土间的黏结性能及黏结滑移关系,对22个嵌贴CFRP加固混凝土棱柱体试件进行了单剪拔出试验,考察了混凝土强度、槽宽、槽边距、树脂保护层厚度、及构件截面尺寸等因素对嵌贴CFRP-混凝土界面的黏结承载力、破坏模式、黏结刚度、黏结滑移关系等性能的影响;在试验结果基础上提出了含残余摩擦段的三段式黏结滑移关系模型,进而明确了混凝土强度与槽边距等因素与峰值黏结应力等模型特征参数的相关性,最终在上述工作基础上建立了首次考虑混凝土强度、槽宽、槽边距等多因素影响的黏结滑移关系模型。研究结果表明：所考察的各因素对嵌贴CFRP与混凝土界面的黏结性能及黏结滑移关系存在显著影响;运用最小二乘法得到的含特征参数的黏结滑移关系模型对界面断裂能的预测精度优于现有其他模型;所建立的考虑多因素影响的黏结滑移关系模型预测的峰值黏结剪应力与文献试验实测值的相关系数为0.65,预测精度较高。     

CRC-AC复合式路面沥青层反射裂缝影响因素分析

应用有限元软件ABAQUS建立有限元模型,采用断裂力学理论及奇异等参元法,对连续配筋混凝土和沥青混凝土(CRC-AC)复合式路面中沥青层反射裂缝问题进行了数值分析。探讨了I型和II型的应力强度因子(K1、K2)在沥青层裂缝扩展过程中的变化规律及路面结构参数对K2的影响。研究结果表明:K2是荷载作用下导致沥青层反射裂缝产生和发展的主要原因,其随着荷位的增大而变小;沥青层厚度的增加、横向裂缝间距的加宽、配筋率的适当增加和底基层强度的提高可以降低K2,延缓CRC-AC复合式路面沥青层反射裂缝的开裂扩展。     

大尺寸纤维沥青拉伸断裂与抗裂性能研究

设计了纤维沥青的大尺寸试件低温拉伸断裂试验,实测了纤维沥青低温拉伸断裂时纤维的桥联应力。采用混合料低温弯曲断裂试验研究了纤维沥青混合料的低温抗裂性能,并通过对各种因素和混合料抗裂性能的灰熵关联度分析,发现了拉伸断裂试验结果与混合料低温抗裂性能有很好的相关性。     

半刚性基层沥青路面温度应力断裂力学分析

路面裂缝尖端应力强度因子是判断裂缝开裂扩展的重要指标,应用商业通用有限元软件ABAQUS,建立了8节点等参单元的有限元模型,采用奇异单元及断裂力学理论,根据实际情况,选取了不同的层厚、模量和裂缝深度,对半刚性基层沥青路面温度应力裂缝问题进行了数值分析。从理论上分析控制基层开裂的重要意义,建议降低基层水泥含量,同时,面层厚度的增加,对抵抗结构层的温度开裂并不明显,结果能反映路面破坏的现象和规律,为分析沥青路面温度开裂提供依据。