基于相互作用积分方法的裂纹扩展分析
基于交互作用积分的异种金属焊接区域裂纹扩展模拟方法
基于交互作用积分的异种金属焊接区域裂纹扩展模拟方法
白晓明;熊夫睿;谢海;石凯凯;于新洋;于红军
【期刊名称】《原子能科学技术》
【年(卷),期】2024(58)5
【摘要】核电厂中存在大量的异种金属焊接区域,该区域内裂纹扩展的合理评价与核电厂安全运行密切相关。
由于焊接区域材料具有显著的非均匀特点,传统的J积
分理论在该区域不再具有守恒性,同时大量的运行经验反馈表明,在焊接区域裂纹扩展呈现出明显的偏折现象,传统基于Ⅰ型裂纹扩展的分析方法不再适用。
为解决上
述问题,本文建立了基于交互作用积分理论的异种金属焊接区域裂纹扩展模拟方法。
通过交互作用积分的引入,能够准确计算焊接区域复合型裂纹的应力强度因子,采用最大周向应力等裂纹扩展准则后,能够快速实现裂纹扩展路径的预测。
通过将本文
方法与实验结果和解析解进行对比分析,验证了当前方法的精度和有效性。
该方法
的建立对焊接区域裂纹扩展模拟及核电设备安全分析评价具有重要意义。
【总页数】10页(P1109-1118)
【作者】白晓明;熊夫睿;谢海;石凯凯;于新洋;于红军
【作者单位】中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室;哈尔滨工
业大学航天科学与力学系
【正文语种】中文
【中图分类】TL421;TM623
【相关文献】
1.国产52合金异种金属焊接材料在高温水中的应力腐蚀裂纹扩展行为
2.异种金属焊接接头弹塑性裂纹扩展探究
3.屈服强度失配对异种金属焊接接头裂纹扩展的影响分析
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复合材料的疲劳裂纹扩展研究
复合材料的疲劳裂纹扩展研究在现代工程领域，复合材料因其优异的性能而得到了广泛的应用。
然而，复合材料在长期承受循环载荷作用时，疲劳裂纹扩展问题成为了影响其可靠性和使用寿命的关键因素。
因此，对复合材料疲劳裂纹扩展的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学方法组合而成的一种新型材料。
其具有比强度高、比刚度大、耐腐蚀、耐高温等优点，广泛应用于航空航天、汽车、船舶、体育器材等领域。
但是，由于复合材料的组织结构和性能的复杂性，其疲劳裂纹扩展行为与传统金属材料有很大的不同。
复合材料的疲劳裂纹扩展机制较为复杂。
在疲劳载荷作用下，复合材料内部会产生多种损伤形式，如纤维断裂、基体开裂、界面脱粘等。
这些损伤相互作用，共同影响着疲劳裂纹的扩展。
与金属材料的疲劳裂纹通常沿着晶界或滑移面扩展不同，复合材料中的疲劳裂纹可能会沿着纤维方向、基体内部或者纤维与基体的界面扩展，这取决于材料的组成、纤维的排布方式以及加载条件等因素。
影响复合材料疲劳裂纹扩展的因素众多。
首先是材料的组成和结构。
纤维和基体的性能、纤维的体积含量、纤维的排布方式等都会对疲劳裂纹扩展产生重要影响。
例如，高强度的纤维可以提高复合材料的疲劳性能，而纤维与基体之间良好的界面结合则有助于阻止裂纹的扩展。
其次，加载条件也是一个关键因素。
加载频率、应力比、最大应力等都会改变疲劳裂纹的扩展速率。
此外，环境因素如温度、湿度等也会对复合材料的疲劳性能产生不可忽视的影响。
为了研究复合材料的疲劳裂纹扩展，实验研究是必不可少的手段。
常见的实验方法包括恒幅疲劳实验、变幅疲劳实验和疲劳裂纹扩展实验等。
在这些实验中，可以通过测量裂纹长度随循环次数的变化来获得疲劳裂纹扩展速率。
同时，借助先进的检测技术，如 X 射线衍射、电子显微镜等，可以对疲劳损伤的微观机制进行深入分析。
在理论研究方面，已经建立了一些模型来描述复合材料的疲劳裂纹扩展行为。
聚合物材料中的裂纹扩展行为研究
聚合物材料中的裂纹扩展行为研究随着科技的不断发展和应用的广泛推广，功能材料的开发和应用也在不断不断进步。
在众多功能材料中，聚合物材料因其超强的可塑性、耐磨、抗腐蚀、耐高温、抗滑动、高倍抗拉和高刚性等特点，在众多领域得到广泛应用，如航空航天、军工、汽车制造、电子科技、医疗器械、运动器材、纺织及服装等。
但是，随着聚合物材料不断深入应用，这种材料也面临着很多问题，其中之一便是裂纹的存在和发展，这一问题也正成为了当前的研究热点。
聚合物材料的裂纹形成和扩展是一种复杂而普遍存在的现象。
在材料的拉伸、挠曲、剪切等力学作用下，裂纹随着力的作用不断扩展和变形，直到达到破裂的最终状态。
裂纹的存在不仅会影响材料的力学性能和材料的可靠性，甚至会威胁到材料的安全性。
因此，对聚合物材料的裂纹形成和扩展机理以及如何减缓或控制裂纹形成过程的研究引起了广泛的关注。
聚合物材料的裂纹扩展行为涉及的因素很多，例如力学因素、物理因素、化学因素和环境因素等。
其中，力学因素对裂纹扩展行为具有非常重要的影响。
根据裂纹扩展理论，材料的裂纹扩展率与应力强度因子K有一定的关系，即裂纹扩展率正比于K的某个函数，称为扩展率公式。
扩展率公式不仅能揭示裂纹扩展过程中的规律和条件，而且可以用于预测和评估裂纹扩展行为。
为了研究聚合物材料的裂纹扩展行为，需要设计出相关实验和检测方法，来获取材料的物理力学性能，比如断裂韧性、冲击韧性、应力松弛等指标。
在实验研究中，根据受力状态、试样形状和尺寸、加载方式和测量方法等不同要求，利用不同的试验方法来表征聚合物材料的裂纹扩展行为，如准静态裂纹扩展试验、动态冲击试验、断裂韧性试验、剪切试验、应力松弛试验等。
近年来，学者们在聚合物材料的裂纹扩展行为研究领域做出了不少创新的工作。
例如，利用微硬度测试探测了普通聚氨酯(FPU)的界面效应对材料微观破裂行为的影响，揭示了FPU高分子链的拉伸和松弛对短期和长期裂纹扩展不同影响的规律。
通过分子动力学模拟，在了解乙烯基苯乙烯共聚物(PS-b-PEO)屏障膜在流体中的性能后，提出了提高屏障膜韧性的措施，为抑制材料裂纹的扩展提供了新思路。
第09讲：裂纹扩展分析和裂纹扩展寿命计算
{
}
n
= C (1 − R ) K max
M
{
}
n
M = M2
式中 C , M , n 为实验确定的常数，Walker公式也是 一个幂函数式，对描述裂纹速率特性的中间区域是 很适合的。 Walker公式考虑了负应力比影响，适用面较广。
6
Forman公式 公式
C ( ∆K ) da = dN (1 − R ) K C − ∆K
9
注意事项
上述公式中材料常数C、n不能完全互换 不能完全互换； 不能完全互换 材料常数必须与公式适用范围相匹配 匹配； 匹配 许多材料常数是有量纲的，注意量纲的换算 量纲的换算； 量纲的换算 应用时要考虑环境的影响；
10
本讲内容
1 2 3 4
恒幅载荷下裂纹扩展速率表达式
变幅载荷下裂纹扩展特性
变幅载荷下裂纹扩展计算模型 疲劳裂纹扩展寿命计算
28
改进的Willenberg模型 改进的 模型
为了考虑裂纹扩展中的应力松弛效应以及负载加 速效应，张振邦提出了改进的Willenberg模型。 有效超载塑性区 式中： (Ry )OL
(R )
y
OL
eff
= (1 + λ R eff
2
)(R y )OL
1 K OLmax = απ σ ys
3030恒幅载荷下裂纹扩展速率表达式变幅载荷下裂纹扩展计算模型变幅载荷下裂纹扩展特性疲劳裂纹扩展寿命计算3131裂纹扩展寿命的计算疲劳裂纹扩展寿命是指裂纹在交变载荷的作用下由某一长度扩展到另外一长度的加载次数
第9讲 裂纹扩展分析和裂纹扩展寿命计算
作业 1、等幅载荷下描述裂纹扩展速率的公式有哪些， 、等幅载荷下描述裂纹扩展速率的公式有哪些， 简述这些公式的特点和适用范围。 简述这些公式的特点和适用范围。 2、无限大钢板含有2a=42mm的穿透裂纹；承受 、无限大钢板含有 的穿透裂纹； 的穿透裂纹 ∆σ=100MPa的载荷，材料的临界裂纹尺寸 的载荷， 的载荷 ac=225mm,试验测得裂纹扩展速率表达式 试验测得裂纹扩展速率表达式 da/dN=2×10-7(∆K)3mm/周，试估算该钢板的疲劳 × 周 寿命和经5000次循环后的裂纹尺寸。 次循环后的裂纹尺寸。 寿命和经 次循环后的裂纹尺寸
PFC2D模拟裂隙岩石裂纹扩展特征的研究现状
PFC2D模拟裂隙岩石裂纹扩展特征的研究现状陈鹏宇【摘要】Two dimensional numerical particle flow code (PFC2D) is an important method to study the crack propagation characteristics of cracked rock.In review of related literatures,it is analyzed and summarized as follows:the current PFC2D simulation methods are summarized in three aspects of particle contact constitutive model,microparameters calibration and simulation method of crack.According to the current research,the PFC2D simulation of crack propagation characteristics is summarized focusing on the single cracked,intermittent double cracked rock under different loading methods.On this basis,the shortcomings of the current research are pointed out as follows.The fracture toughness of PFC2D model is not in line with the actual value of rock.Simulation results of parallel-bond model and test results of rock are different.There are differences between real crack and simulation bined with the existing shortcomings in the study,the corresponding solutions are put forward and are expected to contribute to the development of PFC2D simulation methods for cracked rocks.%二维颗粒流数值模拟(PFC2D)是目前研究裂隙岩石裂纹扩展特征的重要手段.在大量已有相关研究文献的基础上做了以下分析和总结:从颗粒接触本构模型、细观参数的标定和裂隙模拟方法3个方面对当前PFC2D的主要模拟方法进行了总结;根据PFC2D模拟裂隙岩石裂纹扩展特征的研究现状,重点对单裂隙、断续双裂隙岩石在不同加载方式下的裂纹扩展特征进行了深入总结.在此基础上,指出当前研究中存在如下不足:裂隙岩石的PFC2D模型未考虑断裂韧度是否符合实际、平行黏结模型模拟结果与室内试验结果存在差异、模拟裂隙与真实裂隙存在差异.结合研究中存在的不足,提出了相应的解决办法并进行展望,以期有助于裂隙岩石PFC2D模拟方法的发展.【期刊名称】《工程地质学报》【年(卷),期】2018(026)002【总页数】12页(P528-539)【关键词】PFC2D;裂隙岩石;裂纹扩展;研究现状【作者】陈鹏宇【作者单位】内江师范学院地理与资源科学学院内江641100【正文语种】中文【中图分类】TU450 引言岩石内部存在各种宏观和微观的孔洞、裂隙等缺陷，这些缺陷对岩石的力学特性存在重要影响(苏海健等， 2014；杨圣奇等， 2014a)。
焊接接头裂纹扩展行为的模拟与实验研究
焊接接头裂纹扩展行为的模拟与实验研究焊接接头是工程结构中常见的连接方式，它能够将不同部件牢固地连接在一起。
然而，焊接接头在使用过程中可能会出现裂纹扩展的问题，这会对结构的强度和稳定性造成严重影响。
因此，研究焊接接头裂纹扩展行为成为了工程界的一个重要课题。
为了深入了解焊接接头裂纹扩展行为，研究者们进行了模拟与实验研究。
通过这些研究，我们可以更好地理解焊接接头的裂纹扩展机理，并采取相应的措施来预防和修复裂纹。
在模拟研究中，研究者们通常采用有限元分析方法来模拟焊接接头的裂纹扩展行为。
有限元分析是一种数值计算方法，它将复杂的结构分割成许多小的有限元，通过求解各个有限元的力学方程来模拟结构的力学行为。
通过对焊接接头的有限元建模，研究者们可以分析裂纹扩展的路径和速度，并预测接头的寿命。
实验研究是验证模拟结果的重要手段。
研究者们通常通过制作焊接接头试样，并在实验室中进行拉伸、弯曲等力学试验，来观察裂纹的扩展情况。
实验中，研究者们会使用显微镜等设备对裂纹进行观察和测量，以获得裂纹扩展路径和速度的实际数据。
通过对模拟和实验结果的对比，研究者们可以验证模拟方法的准确性，并进一步改进模型。
焊接接头裂纹扩展行为的模拟与实验研究不仅可以帮助我们了解裂纹扩展的机理，还可以为工程实践提供指导。
例如，通过模拟和实验研究，研究者们可以确定焊接接头的最佳设计参数，以提高接头的抗裂纹扩展能力。
此外，研究者们还可以开发新的焊接材料和工艺，以减少裂纹的产生和扩展。
然而，焊接接头裂纹扩展行为的研究仍然面临一些挑战。
首先，焊接接头的裂纹扩展行为受到多种因素的影响，如应力状态、材料性能等，因此需要综合考虑这些因素来进行研究。
其次，焊接接头的裂纹扩展是一个复杂的过程，涉及到多种力学机制，因此需要开发更加精确和细致的模型来描述裂纹扩展行为。
总之，焊接接头裂纹扩展行为的模拟与实验研究是一个重要而复杂的课题。
通过这些研究，我们可以更好地理解焊接接头的裂纹扩展机理，并采取相应的措施来预防和修复裂纹。
高速铁路钢轨的开裂与裂纹扩展机理分析
高速铁路钢轨的开裂与裂纹扩展机理分析摘要：高速铁路的安全性和运营效率对铁轨的质量和可靠性有着严格的要求。
然而，由于高速列车的高速运行以及复杂的动力环境，钢轨会面临一系列的损伤和开裂问题。
本文将针对高速铁路钢轨的开裂问题进行综合分析，并重点讨论裂纹的扩展机理，以期推动铁路行业的技术进步和安全性提升。
1. 引言随着高速铁路交通的快速发展，高速铁路钢轨的质量和可靠性成为保障其安全运营的重要因素。
然而，由于复杂的动力环境和长时间高速运行，钢轨在使用过程中容易发生开裂和损伤，严重影响线路的安全性和运营效率。
因此，深入分析钢轨的开裂与裂纹扩展机理对于确保高速铁路的正常运营和安全性具有重要意义。
2. 钢轨开裂原因分析开裂是钢轨损伤的常见问题，引起开裂的原因有很多，主要包括以下几个方面：2.1 动载荷高速列车的高速运行会产生强大的动力载荷，这些载荷将直接作用于钢轨上。
当载荷超过钢轨的强度极限时，钢轨容易发生塑性变形和疲劳开裂。
2.2 热应力高速列车的运行会产生大量的热能，这些热能会导致钢轨温度升高，引起热应力的发生。
当热应力超过钢轨材料的承受能力时，也会导致钢轨开裂。
2.3 材料质量钢轨的质量直接影响其抗压强度和疲劳性能。
低质量的材料容易出现裂纹，并且裂纹的扩展速度更快。
2.4 安装和维护不当不合理的安装和维护方法会增加钢轨的开裂风险。
比如，错误的焊接和固定方式会增加钢轨的破裂风险。
3. 裂纹扩展机理分析裂纹的扩展是钢轨开裂过程中的关键环节，对其机理的深入研究可以提供有效的预防和维护建议。
3.1 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹的扩展是高速铁路钢轨开裂的主要原因之一。
当钢轨长时间承受重复的动载荷时，会导致裂纹从微小缺陷处开始扩展，最终导致钢轨破裂。
研究发现，裂纹的扩展速率与应力幅值、裂纹尺寸和材料的抗裂性能有关。
3.2 应力腐蚀裂纹扩展高速铁路环境中存在各种化学物质和湿气，这些物质可能引起钢轨表面的腐蚀。
当表面腐蚀与内部应力相互作用时，会导致应力腐蚀裂纹的形成和扩展。
裂纹扩展力学行为的研究进展
裂纹扩展力学行为的研究进展裂纹扩展力学行为是材料力学中一个重要的研究领域，对于预测和控制材料的破坏行为具有重要意义。
近年来，随着实验技术和数值模拟方法的不断发展，裂纹扩展力学行为的研究取得了一系列重要进展。
首先，裂纹扩展力学行为的研究不再局限于传统的线弹性理论，而是逐渐向非线性、动态和多尺度方向发展。
线弹性理论只适用于小裂纹扩展情况，而在材料的实际应用中，裂纹往往会在复杂的应力场中扩展，存在非线性和动态效应。
因此，研究人员开始引入非线性力学和动力学理论，以更好地描述裂纹扩展的行为。
此外，随着材料科学和纳米技术的发展，裂纹扩展力学行为的研究也逐渐向多尺度方向发展，将宏观和微观尺度的力学行为相结合，以更准确地描述裂纹扩展的行为。
其次，裂纹扩展力学行为的研究也涉及到了材料的断裂行为。
传统的裂纹扩展力学行为研究主要关注裂纹的扩展速率和路径，而对于裂纹的起始和停止行为相对较少关注。
然而，裂纹的起始和停止行为对于材料的断裂行为具有重要影响。
因此，研究人员开始关注裂纹的起始和停止行为，并提出了一系列新的理论和方法来描述和预测裂纹的起始和停止行为。
这些研究不仅有助于理解材料的断裂行为，还为材料的设计和制造提供了重要的参考依据。
此外，裂纹扩展力学行为的研究还涉及到了材料的损伤行为。
材料在受到外界载荷作用时，往往会发生损伤现象，包括裂纹的扩展、微观缺陷的形成和聚集等。
研究人员通过实验和数值模拟方法，对材料的损伤行为进行了深入研究，并提出了一系列新的理论和方法来描述和预测材料的损伤行为。
这些研究不仅有助于理解材料的损伤机制，还为材料的可靠性评估和寿命预测提供了重要的参考依据。
最后，裂纹扩展力学行为的研究还涉及到了材料的断裂韧性。
断裂韧性是衡量材料抵抗断裂的能力的重要指标，对于材料的安全性和可靠性具有重要意义。
研究人员通过实验和数值模拟方法，对材料的断裂韧性进行了深入研究，并提出了一系列新的理论和方法来评估和提高材料的断裂韧性。
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基于相互作用积分方法的裂纹扩展分析"
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! ! 摘 ! 要 使 用 传 统 有 限 元 方 法 对 裂 纹 扩 展 问 题 进 行 分 析 时 裂 尖 奇 异 性 是 首 先 必 须 要 面 对的问题其次裂纹扩展的方向长度与模型的 网 格 密 切 相 关;本 文 通 过 建 立 一 个 不 完 全 依 赖 于 网 格 的 模 型 来 分 析 裂 纹 扩 展 问 题 利 用 相 互 作 用 积 分 方 法 来 求 解 裂 尖 参 数 积 分 方 法 可 以 一 定 程 度 上 消 除 奇 异 性 影 响 从 而 避 免 了 裂 纹 尖 端 的 奇 异 性 对 网 格 划 分 的 苛 刻 要 求 ;采 用 相互作用积分法则求解裂纹尖端的应力强度因 子由 最 大 周 向 拉 应 力 理 论 来 判 断 裂 纹 的 扩 展 方 向 ;模 拟 裂 纹 扩 展 的 过 程 中 只 对 涉 及 扩 展 区 域 的 网 格 进 行 重 新 剖 分 来 获 得 最 终 的 扩 展 路径以保证计算的精度;最后通过E型裂纹扩展带孔板裂纹扩展及受压裂 纹扩 展等 几个 典 型 算 例 与 参 考 文 献 进 行 对 比 证 实 了 本 文 方 法 具 有 良 好 的 可 靠 性 并 展 示 了 在 多 种 破 坏 模 式 下方法的适用性;