连续管复合裂纹的应力强度因子有限元分析

针对解析法计算连续管复合裂纹应力强度因子繁琐的问题,引入扩展有限元法（XFEM）进行分析。应用有限元软件ABAQUS计算不同裂纹角度对应的连续管Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型裂纹的裂尖应力强度因子KⅠ,KⅡ,KⅢ,分析了裂纹角度对应力强度因子的影响,并模拟得到了受单向拉伸载荷的连续管裂纹扩展的整个过程。研究结果表明:扩展有限元解与计算解很接近,验证了利用扩展有限元法计算复合型应力强度因子的有效性。随着裂纹夹角θ的增大,裂尖处KⅠ不断减小、KⅡ始终很小,可以忽略、KⅢ先增大后减小、总应力强度因子K不断减小。通过扩展有限元法计算出裂尖应力强度因子,可有效预测含裂纹CT80连续管的安全性。     

环向缠绕气瓶金属内胆表面裂纹的应力强度因子计算

本文利用弹塑性理论对环向缠绕气瓶自紧及服役工况进行应力分析,推导得出不同工况下,气瓶的复合材料和内胆的应力、应变计算公式,并展开讨论。以金属内胆应力计算公式为基础,借鉴平板椭圆形表面裂纹应力强度因子公式,给出了金属内胆表面椭圆形裂纹应力强度因子的计算方法。通过算例表明,内胆裂纹的应力强度因子除与裂纹几何参量、气瓶内压相关,还与气瓶制造时自紧工艺相关,同一气瓶设计,最小、最大自紧引起的应力强度因子相差36%。     

海底悬跨管道表面双裂纹数值分析

为了研究海底油气管道多个裂纹间相互作用对管道产生的影响,针对海底悬跨管道表面双裂纹的相互作用,采用有限元方法建立双环向表面裂纹模型,采用围道积分法求解双裂纹下的应力强度因子,研究了不同边界条件下,不同尺寸裂纹间的相互影响规律,并对比了单裂纹下应力强度因子的变化情况。研究结果表明:不同尺寸的裂纹对双裂纹的相互影响规律有一定影响,且双裂纹应力强度因子最大值均出现在裂纹最深点处;弹簧边界下双裂纹相互影响规律与简单边界下相互影响规律明显不同;不同边界条件对悬跨管道双裂纹应力强度因子的影响较大。研究结果可为海底悬跨管道的失效分析提供参考依据。     

储气库含裂纹缺陷井筒寿命可靠性预测方法研究

为了探究地下储气库井筒管柱裂纹缺陷对井筒寿命的影响，采用随机裂纹扩展融合概率密度演化法(Probability Density Evolution Method, PDEM)模型对含裂纹缺陷井筒进行寿命可靠性预测。通过修正后的裂纹特征向量，采用总变差减小(Total Variation Diminishing, TVD)差分格式求解出特征值概率密度函数，可得到其疲劳寿命可靠性，研究不同裂纹长度和井筒内压下，井筒管柱裂纹处最大应力和应力强度因子K的变化规律，并对其模型预测进行性能分析。结果表明：概率密度演化法得到的井筒裂纹尺寸曲线与Monte Carlo法的结果吻合性良好，且概率密度演化法计算简单、精度高，模型预测误差率在11%以内；最大应力及应力强度因子K随着井筒压力、裂纹长度的增加而增大，当最大应力超过材料屈服强度350 MPa后，则增长趋势逐渐减缓直至趋于平稳。     

基于损伤-断裂力学理论的起重机疲劳寿命估算方法

鉴于断裂力学无法估算裂纹形成寿命及难以确定其初始裂纹尺寸,提出将损伤力学与断裂力学相结合共同估算起重机疲劳寿命的思想。针对Paris公式应用的局限性,提出将裂纹扩展率与应力强度因子幅对数线性阶段的某一裂纹尺寸作为裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命的分界点。用损伤力学估算疲劳裂纹的形成寿命,用断裂力学估算疲劳裂纹的扩展寿命,两者寿命之和构成起重机的疲劳全寿命。这样做既能避免断裂力学寿命估算中确定初始裂纹尺寸的混乱现象;又能确保Paris公式应用在裂纹扩展率与应力强度因子幅的对数线性阶段。试验验证结果表明,估算疲劳全寿命和试验寿命基本吻合。     

起重机主梁裂纹修补参数的研究

采用ANSYS有限元分析软件，对因出现裂纹的起重机主梁而添加的补强板进行系列计算，得出修补后主梁裂纹的应力及应力强度因子的变化规律，结果表明，只有采用适当参数的补强板，才可消除起重机主梁裂纹的扩展趋势，从而保证起重机的安全。     

氢化物诱致金属稳态裂纹扩展数学模型的应用

在温度和裂尖速度恒定、平面应变和小规模屈服、小规模氢化物沉淀条件下,应用有限元法研究氢化物诱致金属稳态裂纹扩展的信息.在考虑氢扩散、氢化物沉淀、非机械能量流和氢化物/固溶变形等多物理的耦合现象条件下,有限元结果和导出的分析表达式给出的结果都证实应力平稳平台的存在,且两种计算结果相当一致.分析关系式基于氢化学平衡并明确表明了温度、远端氢浓度和氢化物弹性性态效应.裂纹尖端场特性用于发展断裂准则和估计应力强度因子阈值.当归一化应力强度因子趋于零时,临近应力强度因子阈值的裂尖场产生,表现为氢化物沉淀区出现常静水应力.随着归一化应力强度因子值增加,裂纹扩展裂尖场从阶段I演化到阶段II,氢化物沉淀区域实际尺寸减小并偏离平台水平,裂尖场附近的力学响应基本和金属中不含有氢的工况一致,此时裂尖场强烈依赖于远离裂尖场的氢浓度.     

压力容器表面裂纹断裂参数的有限元计算与分析

借助ANSYS软件建立了适合压力容器表面裂纹断裂分析的有限元模型,能方便地计算出应力强度因子和J积分,与理论近似表达式的计算值对比,该方法具有较高的精度,能满足工程应用的要求.在验证模型合理的基础上,构造表征表面裂纹形状和尺寸的无量纲因子,通过分析其对J积分弹塑性分量的影响,指出断裂分析中除应力水平外,还应当将裂纹形状...     

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。     

氢化物诱致金属稳态裂纹扩展数学模型理论研究

在温度和裂尖速度恒定、平面应变和小范围氢化物沉淀条件下,给出了考虑氢扩散、氢化物沉淀、非机械能量流和氢化物/固溶变形等多物理场的耦合效应的数学模型.导出了应力态金属中氢固态溶解度解析表达式,可用于描述不同弹性性态及任意几何形状的氢化物,其中氢化物和金属相假设为具有完全各向异性的力学性态.研究表明,当接近氢化学平衡和临近应力强度因子阈值裂纹扩展时,静水应力平台在临近裂尖氢化物沉淀的区域产生.静水应力平台强烈依赖于远场氢浓度和温度,但几乎与金属材料的屈服强度和硬化特性无关.同一静水应力也在产生氢化物的裂尖后面出现.裂尖场附近的特性用于估计远场氢浓度阈值(而且发现低于此阈值时不会产生氢化物沉淀)和应力强度因子阈值.当归一化应力强度因子接近零时,临近应力强度因子阈值的裂尖场产生,它可由氢化物沉淀区域的常静水应力体现.随着归一化应力强度因子值的增加,裂纹扩展裂尖场从阶段Ⅰ演化到阶段Ⅱ,氢化物沉淀区域的实际尺寸减小并偏离平台水平,裂尖场附近的力学响应基本和金属中不充有氢的工况一致,此时裂尖场强烈依赖于远离裂尖场的氢浓度.     

含半无限长裂纹压电材料的Ⅲ型强度因子

研究了含半无限长裂纹压电材料在平面内电场和反平面荷载作用下的问题 ,得到了满足拉普拉斯方程、裂纹面边界条件的位移函数解和电势函数解及电弹场的基本解 ,并得到了应力、应变、电位移强度因子和能量释放率。研究结果表明 ,在裂尖 ,电场强度没有奇异性 ,而应变、应力、电位移具有奇异性。     

提速货车钩尾框安全使用寿命的估算方法

提出一种估算提速货车钩尾框安全使用寿命的方法。该方法基于损伤容限设计思想 ,通过子模型有限元技术和虚拟裂纹扩展方法 ,仿真应力集中区的裂纹及其扩展 ,应用能量释放率理论计算裂纹前沿的应力强度因子 ,由Paris公式估算在实测载荷谱下钩尾框的裂纹扩展寿命。估算结果与统计的使用寿命有较好的一致性     

论述承压设备的应力腐蚀开裂

承压设备应力腐蚀开裂是指承压设备在低于屈服强度的应力作用下发生脆性破坏,具有极大的危害性,所以认识和掌握应力腐蚀开裂的发生条件,产生机理,裂纹特征,发育过程和防护措施具有十分重要的意义。     

断裂力学及其在岩右中的应用(续完)

第四讲断裂力学在岩石和矿山工程中的应用断裂力学在岩石和矿山工程中的应用,具有十分广泛的内容。这一讲将在前三讲介绍线弹性断裂力学基本知识的基础上,对岩石断裂应力和复合裂纹断裂判据作介绍,并通过实例来说明脆断理论在岩石中的具体应用。     

余热锅炉分汽缸应力腐蚀开裂分析

某水泥余热发电锅炉分汽缸补焊缝及附近母材出现大量裂纹,部分裂纹出现穿透;宏观观察发现分汽缸表面覆盖有大量黑色粉尘状物质,裂纹沿焊缝呈环向或纵向分布;金相分析及扫描电镜形貌观察结果可见焊缝断口主要为沿晶开裂,同时在断口附近发现大量的沿晶二次裂纹;EDS能谱分析与X射线衍射物相分析结果表明分汽缸窑头侧内壁存在大量碳酸盐和碱浓缩;通过对补焊的未开裂焊缝和附近筒体母材分别进行残余应力测试,结果表明焊缝位置最大应力达251MPa,超出材料屈服强度。综合分析表明:分汽缸内壁存在碳酸盐积聚和碱浓缩,在焊接残余应力和工作应力等因素的共同作用下,分汽缸焊缝及附近区域出现了应力腐蚀开裂。     

高尘烟气脱硝催化剂抗压阈值及损伤形貌研究

选取18×18孔新投运蜂窝式SCR催化剂,采用不同位移速率(α=0.2,2,5 mm/min)和损伤应力(σ=5,15 kN)研究SCR催化剂在高尘烟气中的抗压阈值和损伤应力过程,并进行损伤表面形貌分析。结果表明:位移速率越小,抗压应力过程中阈值σ_0较极限承压值越稳定,阈值σ_0越能反映试块的机械强度;损伤应力大于阈值时,损伤应力与机械强度呈负相关性,损伤应力为5 kN和15 kN时,磨损率分别为(0.018～0.022)%/kg和(0.036～0.043)%/kg,磨损量增多,机械强度降低;此外,通过损伤表面形貌分析可知,表面裂纹和损伤面积随着损伤应力的增大而增大,新生的裂纹将沿着一条最薄弱的路径扩展和汇集,间接验证了损伤应力与机械强度呈负相关性,并从损伤机理解析了损伤应力对表面损伤程度的影响,为高尘烟气下新投运SCR催化剂损伤研究提供一定依据。     

基于紧凑拉伸试验的含缺陷燃气管疲劳寿命预测分析

为分析预测含缺陷燃气管道的疲劳寿命,实现燃气管道分类分级监测和维护。在理论分析含缺陷管道疲劳寿命预测模型的基础上,通过MTS电液伺服疲劳试验机测试获得同一应力比下4种不同应力强度因子的疲劳裂纹扩展速率,进而构建含缺陷燃气管道疲劳寿命的实用模型。以安徽淮南天然气二气源管道工程实际参数为例,预测分析类似条件下含缺陷燃气管道的疲劳寿命,为燃气管道监测维护与分类分级管理提供可靠依据。结果表明:管道的疲劳寿命与裂纹深度变化近似成线性关系,与内压幅值变化近似成指数为负的幂函数关系,且管道输送压力变化幅值不应超过1.5 MPa。     

基于VP-MFC的采煤机摇臂系统齿轮性能退化可靠性分析

齿轮作为采煤机摇臂系统的关键零件,其性能退化对采煤机的工作可靠性有着重要影响。建立了采煤机摇臂系统的刚柔耦合虚拟样机（VP）模型,基于仿真结果,计算得到温度载荷,应用ANSYS对摇臂系统的薄弱齿轮副进行多场耦合（MFC）分析,得到了齿轮的温度场及结构场云图。建立引入裂纹后的齿轮有限元模型,利用FRANC3D对其进行断裂裂纹扩展数值模拟,得到了齿轮的裂纹前缘应力强度因子、扩展轨迹与疲劳寿命。提出以齿轮的裂纹扩展疲劳寿命和可靠度为退化指标的定量评估方法,结果表明齿轮性能退化成指数分布。将虚拟样机、多场耦合与断裂力学相结合,为齿轮性能退化可靠性研究提供了新的方法。     

断裂力学及其在岩石中的应用

第三讲岩石的断裂韧性及其测试岩石由于本身存在着程度不同的缺陷而构成了一个宏观裂纹体。如何评价裂纹岩石的强度,至今尚未获得完善的解决。岩石的断裂韧性测试为研究岩石的断裂强度与断裂机理开辟了新的途经。本世纪以来,工程中的重大断裂事故不断发生,皆起源于宏观裂纹。因此,采用裂纹试件的断裂韧性试验受到了广泛的重视。其目的是给出能代表材料使用安全性的一种强度与韧性的综合指标,它是传统材料力学试验方法的发展与补充。     

与土体部分脱离的埋置半圆形基础与SH波的动力相互作用

利用波函数展开法结合奇异积分方程技术,研究了部分脱离的埋置半圆形基础与土体的出平面动力相互作用问题。把脱离区看做界面裂纹,将问题归结为一组奇异积分方程。通过数值计算获得了土体和基础中的位移场。利用动应力强度因子描述了粘接区的切应力强度,其结果显示:有缝隙界面基础与土体的动力相互作用呈现明显的低频共振特性。奇异积分方程技术的引入,使得笔者所用方法与已有方法相比更具一般性。研究结果对埋置结构的安全评估与寿命预测具有重要的理论与实际意义。