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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

不同地应力条件下直眼掏槽破岩的理论研究与数值模拟

为了研究不同地应力场对直眼掏槽破岩的影响,提出了基于Schwarz交替迭代法和弹性力学理论建立的掏槽区岩体的应力状态方程,同时对不同地应力条件下单孔直眼掏槽破岩过程进行了数值模拟。结果表明:在炸药爆炸前期和中期,初始地应力场对结果影响较小,主要是槽孔爆炸应力场起主导作用,在爆炸后期,初始地应力场对爆破后裂纹的扩展具有导向作用,裂纹扩展主方向趋向于最大初始地应力方向。进一步分析表明,岩体在初始地应力场与爆炸应力场共同作用后,在空孔和槽孔圆心连线上产生最大拉应力,并且在不同地应力条件下最大拉应力模拟值的发展趋势与理论计算较为一致。     

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     

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Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹破坏模式的条带矿柱破坏宽度研究

采用条带法进行地下开采时,条带矿柱的裂纹扩展导致了矿柱的最终破坏,且裂纹多表现为Ⅰ型裂纹与Ⅱ型裂纹复合扩展破坏特征。根据采场矿柱受力条件,确定条带矿柱受两侧采场空区影响时矿柱内Ⅰ-П复合型裂纹尖端的Westergaard应力函数,采用HoekBrown强度准则计算采场作业面围岩破坏区的边界条件,建立了矿柱破坏宽度计算模型。以上横山页岩矿床为研究对象,采用物理相似模拟试验,模拟条带法回采某盘区3个试验区段,利用DIP法分析受地应力及回采扰动作用下矿柱的裂纹发育特征,验证模型的有效性。结果表明,条带及其条带矿柱均为15 m等设计参数条件下,计算模型矿柱破坏宽度理论值分别为17.66 m、15.56 m和10.28 m,试验模拟结果分别为完全大于15 m、约为15 m和10.5~11.0 m,试验结果与依据模型计算的理论值相近。     

Propagation and intensity of blast wave from hydrogen pipe rupture due to internal detonation

The coupled fluid-structure-rupture model was developed to study the propagation and intensity of blast wave from hydrogen pipe rupture due to internal detonation. The dynamic rupture of pipe and propagation of blast wave were well coupled together in every timestep during the simulation. The numerical model was validated with experiments in terms of both typical rupture profiles and blast overpressures. Results reveal that crack branching of pipe can dramatically increase the rupture opening rate which controls the intensity and shape of the resultant blast wave. Due to the process of crack initiation and extension, the blast wave out of the pipe first forms and then is strengthened by the subsequent compression waves. This makes the maximum peak overpressure appears at a certain standoff distance above the rupture. Despite consuming some percentages of energy, the dynamic rupture of pipe generally presents positive effects (up to 2–3 times) on the blast wave intensity along the jetting direction due to the convergence effect of rupture opening on the release of internal high-pressure gas. Finally, through defining normalized overpressure and impulse based on the same hydrogen detonation in open spaces, the quantitative influences of pipe rupture on the blast wave intensity in cases of different detonation pressures and standoff distances are clarified.     

轴向单缝偏心药柱爆破效应模型试验研究

为了探究轴向单缝偏心药柱在掏槽爆破中爆炸应力波传播规律和裂纹扩展情况,采用水泥砂浆模型试块开展模型爆破试验,采用超动态应变测试系统对爆炸应力场进行测量。结果表明:在相同爆心距下,背对切缝侧A测点仅为正对切缝侧B测点峰值应力的73.82%;一定角度范围内,峰值应力随偏转角度的增大而减小,偏转角度为0°时峰值应力最大,偏转角度为60°处峰值应力是偏转角度为30°处的74.39%,峰值应力在0°到60°范围内最大衰减达到32.74%;正对切缝方向产生一条贯通炮孔的主裂纹,裂纹发育优于其他方向,且切缝方向没有明显的细小裂纹,这表明轴向单缝偏心药柱具有良好的定向断裂能力。     

含裂隙岩石裂纹扩展与剪切特性的数值研究*

为研究直剪条件下含交叉裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性,基于PFC2D研究直剪条件下含裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性。研究结果表明:直剪过程可分4个阶段:Ⅰ初始平静阶段、Ⅱ裂纹单一扩展阶段、Ⅲ裂纹复杂扩展阶段、Ⅳ破坏阶段;法向应力越大,Ⅱ,Ⅲ阶段的裂纹扩展程度受到抑制;岩石中含单裂隙时,随裂隙角度α的增加,抗剪强度的变化趋势基本一致,遵循先降后增的规律;含交叉裂隙时,当主裂隙角度α=120°,150°时,抗剪强度随次裂隙角度β的增加呈先减小后增大的趋势,抗剪强度最小值均出现在β=30°;加固含裂隙岩体时,预防裂隙或者潜在破坏面两侧的岩体产生位移差,使其加固后成为1个稳固整体,是避免岩体产生裂纹导致破坏的重要手段。     

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。