窄间隙埋弧焊接接头的韧性断裂行为

基于局部韧性损伤、断裂准则,采用窄间隙埋弧焊接工艺、圆形缺口拉伸试验,研究了压力容器用钢BHW35窄间隙埋弧焊接接头,各特征区的断裂韧性参数Wdc。结果表明,采用H10Mn2NiMoA焊丝作为填充材料,焊缝、粗晶热影响区（CGHAZ）、熔合区的断裂韧性值差别不是十分明显,但熔合区和CGHAZ的断裂韧性值相对较低,而CGHAZ的断裂韧性值最低,是接头的薄弱部位。采用基于损伤力学的局部破坏准则,评定窄间隙焊接接头的断裂韧性试验方法简单,可以采用小试样缺口试验进行。且同一特征区的断裂韧性数值比较稳定,因此比较适合评定焊接接头的韧性断裂行为。     

圆拱形缺陷对砂岩力学特征影响的试验研究

为研究含圆拱形预制缺陷砂岩的力学特征,在板状黄砂岩试样内预制了不同α值的圆拱形缺陷。采用YNS-2000型电液伺服控制试验系统和数字照相采集系统研究了不同圆拱形缺陷倾角α对黄砂岩力学特征和破坏模式的影响规律。研究结果表明:试样峰值强度、平均模量和割线模量随着α的增大呈先减小后增大再减小趋势,α=30°试样峰值强度和峰值应变均最小,α=75°试样峰值强度和应变均达到最大;预制圆拱形缺陷α对试样起裂应力、起裂位置和破坏模式均具有重要影响,随着α值的增大,试样起裂应力总体呈先减小后增大再减小趋势,当α=30°时,试样的平均起裂应力最小,其值为10.90 MPa;当α=75°时,试样的平均起裂应力最大,其值为18.91 MPa。     

基于磁场理论的矿岩加载损伤破坏表征研究

充填体与围岩的相互力学作用,除了接触带表壁附近可以通过贴置电阻应变片的方式进行应变值测量外,接触面及接触带附近的损伤破坏情况不易监测。基于此,应用磁场理论,将磁粉加入到配比试样中,充磁之后进行加载试验。通过特斯拉计测量试样表壁在加载过程中的磁感应强度变化,建立由表及里的损伤破坏联系规律。试验结果表明:加了磁粉的配比试样,在加载过程中各监测点处的磁感应强度值变化明显,特别是在内部裂纹扩展至临空面处的磁感应强度几乎减小至0.2 mT以下;而试样在加载过程中,各监测点的磁感应强度值随着压密破坏而变化;在未破坏时,不同区域有较一致的随试样内部压密相应磁感应强度增大的变化规律,而在试样加载破坏后,不同监测点磁感应强度变化起伏较大。     

鼓风机叶轮快速断裂的检测及失效分析

针对焦化厂鼓风机叶轮运行近15 d后产生穿透性裂纹、并延伸至叶轮半径2/3处的严重断裂事故,采用具有早期缺陷诊断功能的金属磁记忆新技术及其他多种手段,从宏观力学及微观机理角度对其进行综合性能评定及失效分析.研究结果表明,叶轮材料强度、韧性均过低,且韧性指标分散性大、同类型试样的韧性指标最大值与最小值之间相差3倍多;金相组织晶粒粗大,断口表现为脆性开裂.沿叶轮的断裂与非断裂面分别进行磁记忆扫描,磁场强度分析表明,断裂面内存在两处具有明显应力集中的危险源.分析表明,锻造及锻后热处理不良造成了快速疲劳断裂.最后,结合5年中3次叶轮断裂事故,对失效原因进行了相关性分析.     

超高强度钻杆低温断裂性能及裂纹扩展特征研究

超高强度钻杆在冬季低温环境下容易发生脆性断裂事故,为了从断裂力学角度揭示其冷脆现象的本质,采用ZBC2302-D型示波冲击试验机,获得了不同温度下超高强度钢在冲击断裂过程中的力-位移曲线,并对比分析了冲击功、起裂功和裂纹扩展功之间的变化关系。采用国家标准GB 4161—2007中的计算公式,计算了冲击试样的裂纹扩展量Δa和阻抗应力强度因子K_R;同时,引入K_R阻力曲线,得到超高强度钻杆在不同温度下的剩余强度图。结果表明,当冲击试样开始出现裂纹时,随温度降低,钻杆的初始起裂应力有所增加,出现硬化现象。当钻杆出现一定长度的裂纹时,随温度降低,阻抗应力强度因子越来越小,而且降低速度越来越快,剩余强度也表现出相同的变化趋势。随温度降低,材料抵抗裂纹扩展的能力逐渐下降,表明钻杆在低温下更容易断裂。     

围压卸荷条件下砂岩损伤与动态破碎特性研究

为研究深部高应力岩体开挖卸荷对围岩的影响,运用自制的带轴向静压和围压装置的霍普金森压杆(SHPB)设备,开展不同速度围压卸荷试验。结合围压卸荷过程砂岩试样声发射特性及动态加载后试样破碎块度分维特性,分析围压卸荷速率对试样损伤的影响。试验结果表明:当卸荷速率在0.5～10 MPa/s范围内变化时,砂岩损伤、声发射能量及破碎分形维数随围压卸荷速率增大而增大;但当卸荷速率增大到200 MPa/s时,砂岩损伤、声发射能量及破碎分形维数反而减小。在一定范围内提高围压卸荷速率,有助于提高砂岩试样裂隙发育及损伤程度。     

输油管道泄漏失效分析

某公司一段在用的输油管道发生泄漏.采用宏观检查、化学成分分析、拉伸试验、显微组织分析及断口分析等方法,对油管进行分析.结果 表明:在弯管内壁焊缝根部处有一长度为103 mm的未焊透焊接缺陷,该区域最小有效壁厚为2.4 mm.裂纹起裂于未焊透应力集中处,在内、外载荷长期作用下,沿熔合线在焊缝内形成由内向外的韧性开裂,导致...     

16Mn钢疲劳过程中的声发射特性研究

根据有关标准,设计加工了16Mn钢试样,并运用LOCAN320声发射仪、MTS810疲劳实验机和声发射传感器,用3种不同的试验方案,采集16Mn钢材料疲劳过程中的声发射(AcousticEmission,AE)信号特征参数,用于分析其疲劳过程中的声发射特性。重点探讨了16Mn钢材料在低周疲劳全过程中释放的声发射信号特征参数变化规律,得出声发射技术可用来评估16Mn钢材料的损伤程度,进而预测其疲劳寿命的结论。此外,充分利用试验中得到的不同疲劳载荷条件下试样的疲劳寿命,根据成组法修正了矩形截面试样16Mn钢材料的S-N曲线,经验证与实际结果吻合性较好。     

桥式起重机结构裂纹扩展路径模拟方法研究

桥式起重机焊接结构普遍存在“初始裂纹”和“应力集中”,裂纹的扩展和转移以及断裂规律对结构的安全可靠性评价至关重要.以断裂力学和损伤累积为基础,在有限元划分网格中“最薄弱”单元出现裂纹类缺陷,“最薄弱”单元退出工作,载荷重新分布.在重复变化载荷持续作用下,裂纹逐渐扩展,由于相邻单元的连续性,内力传递至“次薄弱”单元,使其成为下一个“最薄弱”单元.依此类推,最终结构材料达到许用应力值,裂纹达到临界值,从而形成裂纹扩展的路径.对ANSYS软件的“单元生死技术”功能进行扩展,采用Visual C++6.0集成开发环境MFC,集成了Pro/E二次开发语言Pro/Toolkit和ANSYS二次开发语言APDL,开发了桥式起重机桥架结构人机交互参数化建模及有限元分析可视化软件.通过软件模拟计算得到桥式起重机焊接箱形主梁的裂纹扩展路径,有限元分析结果与桥式起重机的实际情况相吻合.     

钻具材料疲劳损伤的磁记忆检测试验研究

为及时准确地确定钻具疲劳损伤及应力集中位置,确定疲劳损伤程度,对42CrMo钢缺口试件进行拉扭疲劳试验及磁记忆在线检测。试验中实时采集磁记忆信号的切向分量,分析其梯度变化趋势,并提取Hp(x)max,Hp(x)sub,Kmax,Ksub等4个磁记忆信号特征参量,研究这4个特征参量在整个疲劳循环过程中的变化规律,并比较在线卸载与在线加载检测各特征参量的异同。试验结果表明,在整个疲劳过程中,各磁记忆信号特征参量具有不同的变化规律,很好地诠释了材料的拉扭疲劳过程,表征出不同疲劳阶段材料的应力集中程度。     

软煤样断裂韧性加载速率效应实验研究*

为探究加载速率对软煤样Ⅰ型断裂韧性的影响,对取自云南老厂的煤样开展压入硬度实验及不同加载速率条件下的断裂韧性实验,分析加载速率及割理角度对软煤样断裂特性的影响。结果表明:实验老厂煤岩压入硬度分布在51.84～125.03 MPa之间,按压入硬度划分属于软岩类别;实验岩样Ⅰ型断裂韧性分布在0.009 9～0.208 2 MPa·mm^0.5之间,平均值为0.096 5 MPa·mm^0.5;在0.2～1.1 mm/min的位移加载速率范围内,实验软煤岩Ⅰ型断裂韧性值随加载速率的增大呈现先增大后降低的规律,割理角度对软煤岩Ⅰ型断裂韧性有较大影响,Ⅰ型断裂韧性与割理角度的关系呈现为负线性相关性。低加载速率条件下,软煤岩表现为韧性断裂,高加载速率条件下,软煤岩表现为脆性断裂,加载速率的变化导致软煤岩断裂类型的变化。     

基于细观层次的混凝土断裂过程及破坏机理的数值分析

笔者利用蒙特卡罗方法随机生成混凝土的骨料分布,以模拟混凝土的细观结构;利用非线性有限元方法从细观层次上对混凝土试件的断裂过程进行数值分析,采用3种不同骨料分布的混凝土试件分别研究了混凝土试件在单轴受拉和单轴受压时的破坏机理。研究结果表明:混凝土的断裂主要发生在骨料与砂浆的粘结面上;试件在单轴受拉时的裂纹沿垂直于最大拉应力的方向扩展;而试件在单轴受压时的裂纹沿平行于最大压应力的方向扩展;数值研究还发现:裂缝的扩展方式不是直线和连续的,而是弯曲的,还出现裂纹交错分叉以及所谓的裂缝面桥现象。     

压裂钻孔孔壁破坏行为与注水流量相关性试验研究

为分析流量对水力压裂钻孔起裂特征的影响,开展了不同注水流量水力压裂实验,得到了煤体起裂过程的孔壁压缩应变-水压曲线。结果表明,流量的增大使破裂形态趋于复杂,表现在裂缝的数目及宽度会变多增大,而原煤则更易于沟通原生裂隙;对于无明显节理的配比型煤,随着注水流量增大,孔壁应变速率和起裂压力均增高;对于含明显节理的原煤,孔壁应变速率及起裂压力变化具有一致性,但与流量变化不一致,原煤内部的节理会影响试块起裂行为,降低钻孔内能量积聚速率和煤体破裂强度。研究成果对于揭示钻孔起裂行为具有重要理论意义,为水力压裂实验研究提供了一种新思路。     

影响凹陷管道安全因素分析

为了分析管道上凹陷对其安全性的影响,以非线性接触模型为基础,应用ABAQUS有限元软件,建立矩形状压头作用于管道的三维模型。通过求解模型,探讨了凹陷深度、凹陷位置、凹陷尺寸、管道内压对管道轴向应变和韧性失效损伤因子的影响。结果表明:管道的轴向应变随着内压的增大而增大,然而内压的存在却对管道韧性失效起到一定的抑制作用。当韧性失效损伤因子D=1时可以通过韧性断裂准则预测其临界失效应变;当凹陷深度超过一定范围内压会使损伤程度增大;当凹陷位置为垂直于管道正上方时,其对管道的轴向应变及韧性失效损伤因子的影响较大;当管道内压一定时,随着凹陷变形量的增加,与凹陷轴向长度相比,凹陷宽度的变化对管道的轴向应变及韧性失效损伤因子程度影响更显著,而增大凹陷长度和宽度均可有效降低其对管道安全性的影响。     

Plastic buckling,wrinkling and collapse behaviour of dented X80 steel line pipes under axial compression

High strength steel pipes have found increasing applications in deep high pressure offshore oil/gas lines. Damages in the form of dent are among common causes of pipeline failure. Indentation, plastic buckling and residual strength of dented normal grade steel pipes under bending, axial and combined loading have previously been addressed by a number of researchers. The plastic buckling and collapse of dented high grades steel line pipes, however, have received less previous attentions.In the current study an experimental model testing was used to evaluate the residual strength of dented X80 steel pipes under monotonic axial compression. The tubular specimens were first laterally dented by an indentor while resting on a saddle shape support. The specimens were then examined under axial compression to study the dent effects on their collapse behaviour. Numerical simulations were also used to analyse the effect of the indentor ratio, shape and alignment on the residual strength of dented steel tubes under monotonic axial compression. The results from the current study on high strength steels were also compared with semi-empirical equations available in the literature for low strength steels. It was found that these equations provide reasonable predictions for the axial residual capacity of the high strength steel pipes when the dent depths are small. With deep dents, however, they considerably underestimate the axial residual capacity of the high strength steel pipes.     

Computational modeling and analysis of thoracolumbar spine fractures in frontal crash reconstruction

Abstract

Objective: This study aimed to reconstruct 11 motor vehicle crashes (6 with thoracolumbar fractures and 5 without thoracolumbar fractures) and analyze the fracture mechanism, fracture predictors, and associated parameters affecting thoracolumbar spine response.

Methods: Eleven frontal crashes were reconstructed with a finite element simplified vehicle model (SVM). The SVM was tuned to each case vehicle and the Total HUman Model for Safety (THUMS) Ver. 4.01 was scaled and positioned in a baseline configuration to mimic the documented precrash driver posture. The event data recorder crash pulse was applied as a boundary condition. For the 6 thoracolumbar fracture cases, 120 simulations to quantify uncertainty and response variation were performed using a Latin hypercube design of experiments (DOE) to vary seat track position, seatback angle, steering column angle, steering column position, and D-ring height. Vertebral loads and bending moments were analyzed, and lumbar spine indices (unadjusted and age-adjusted) were developed to quantify the combined loading effect. Maximum principal strain and stress data were collected in the vertebral cortical and trabecular bone. DOE data were fit to regression models to examine occupant positioning and thoracolumbar response correlations.

Results: Of the 11 cases, both the vertebral compression force and bending moment progressively increased from superior to inferior vertebrae. Two thoracic spine fracture cases had higher average compression force and bending moment across all thoracic vertebral levels, compared to 9 cases without thoracic spine fractures (force: 1,200.6 vs. 640.8 N; moment: 13.7 vs. 9.2?Nm). Though there was no apparent difference in bending moment at the L1–L2 vertebrae, lumbar fracture cases exhibited higher vertebral bending moments in L3–L4 (fracture/nonfracture: 45.7 vs. 33.8?Nm). The unadjusted lumbar spine index correctly predicted thoracolumbar fracture occurrence for 9 of the 11 cases (sensitivity?=?1.0; specificity?=?0.6). The age-adjusted lumbar spine index correctly predicted thoracolumbar fracture occurrence for 10 of the 11 cases (sensitivity?=?1.0; specificity?=?0.8). The age-adjusted principal stress in the trabecular bone was an excellent indicator of fracture occurrence (sensitivity?=?1.0; specificity?=?1.0). A rearward seat track position and reclined seatback increased the thoracic spine bending moment by 111–329%. A more reclined seatback increased the lumbar force and bending moment by 16–165% and 67–172%, respectively.

Conclusions: This study provided a computational framework for assessing thoracolumbar fractures and also quantified the effect of precrash driver posture on thoracolumbar response. Results aid in the evaluation of motor vehicle crash–induced vertebral fractures and the understanding of factors contributing to fracture risk.     

引气剂和聚丙烯纤维对高水材料性质的影响研究

为了改变高水材料的破坏特点,采用引气剂和聚丙烯纤维双掺对其进行改性。试验结果表明:随着引气剂掺量的增加,浆体的流动性逐渐降低,混合浆液失流时间延长,试块密度和单轴抗压强度逐渐减小;聚丙烯纤维的掺入,对浆体流动性、失流时间、引气率影响均较小。聚丙烯纤维最佳掺量为2 kg/m3,引气剂和聚丙烯纤维的掺入使硬化体的弹性模量略有减小,且使试块由脆性破坏转变为延性破坏,在保持整体不散的情况下,提高其压缩量。SEM观察表明:钙矾石在气泡壁上集中生成,聚丙烯纤维与基体的界面处有利于针状钙矾石的生成,从而使聚丙烯纤维更好地发挥增强增韧的作用。     

孤岛工作面支承压力影响下顶板破坏机理研究

为了探讨孤岛工作面支承压力影响下顶板破坏机理,通过采用理论分析,建立薄板力学模型,对孤岛工作面顶板弯矩分布规律进行分析,并结合实验室数值模拟手段对工作面顶板支承压力集中系数及顶板围岩塑性区演变规律进行研究。研究结果表明:在支承压力作用下,随着推进距离的增大,顶板支承压力集中系数呈现增大的趋势;工作面顶板煤壁中部弯矩显著大于煤壁两侧弯矩,该结果合理解释了工作面方向上支架工作阻力不相等的规律;顶板断裂的塑性区演变特征存在时空效应及力学特征,顶板四周所形成的横向“O”型破断与横向“X”型破断,共同构成了顶板破断的横“O-X”破断形式。     

爆炸冲击波作用下圆形通风设施的动态破坏特性

为了研究瓦斯爆炸对通风设施造成的严重破坏及其导致的通风系统紊乱与灾情迅速扩展问题,基于LS-DYNA有限元软件,模拟研究巷道中瓦斯爆炸冲击波作用下圆形通风设施的动态破坏特性,分析应力、应变、速度、位移的动态特征及其破坏过程,并对圆形通风设施动态破坏机理进行初步探索。研究结果表明:爆炸冲击波作用下,圆形通风设施正、反面出现压应力与拉应力分布圆环,且压应力与拉应力峰值处于在外部受约束边界径向圆环附近区域与圆心位置,应变、速度和位移最大值均分布在次区域;爆炸冲击波作用下,通风设施表面形成多圈的正向和反向的应变相互交替,呈现W型的褶皱变形;爆炸冲击波作用下,环向裂纹集中在受约束的边界区域附近,发生脆性破坏,其他区域会出现较多的径向裂纹,可发生韧性破坏,整个断裂过程是脆性与韧性断裂的混合型断裂。