某钢厂输送液压油API级无缝钢管在一个月中发生了两次失效,第一次失效出现了4.7 m长的纵向裂缝,第二次失效时管道出现了少量泄漏。管道输送液压油的压力为3~14 MPa,环境温度为25~40℃,该无缝管的失效可能是高应变率或氢致开裂(HIC)等因素导致的管体开裂。采用化学分析、拉伸试验、硬度测试、宏观观察、光学和电子显微镜以及能谱分析(EDS)等方法对其失效原因及其机理进行分析。结果表明,管道中输送液压油分解产生的氢与管材内部中的硫化物夹杂相结合,导致管体因氢致开裂而失效。

基于扩展有限元法,对不同保护气体条件的双相不锈钢焊接接头疲劳裂纹扩展行为进行了数值模拟研究。结合疲劳试验,对比了焊接接头疲劳寿命及破坏发生位置,探究了焊接接头中裂纹尖端应力场演变规律、裂纹扩展路径及速率。结果表明,大熔深TIG焊接头疲劳寿命优于传统TIG焊接头,模拟所得寿命与试验值基本吻合。TIG焊接头中裂纹在厚度方向贯穿后,扩展速率迅速增加,快速到达失稳阶段,发生疲劳破坏;大熔深TIG焊接头中裂纹在厚度方向穿透前、后的扩展速率均较传统TIG焊慢,故其抗疲劳性能较好。

为研究曲轴疲劳裂纹及其寿命,使用ABAQUS和FRANC3D软件对曲轴裂纹进行引入及扩展分析,基于裂纹剩余寿命计算和初始裂纹形状比对,对应力强度因子进行研究。结果表明,当裂纹深度扩展至18.2 mm时,等效应力强度因子达到曲轴材料断裂韧性,裂纹产生至临界深度,剩余寿命为8.6×105次;在裂纹深度一定时,初始裂纹的表面长度越长,裂纹扩展寿命越短,初始裂纹表面长度越短,裂纹扩展寿命越长;裂纹初始角度越大,裂纹前缘最深处的应力强度因子越低;裂纹初始角度越大,裂纹扩展后得到的裂纹长度越短,裂纹扩展寿命越长。

通过对无预裂纹圆柱形缺口试件的常温、高温低周疲劳总寿命试验以及对带有预裂纹圆柱形缺口试件的常温、高温裂纹扩展寿命试验，并利用ＮＨＲＤＳ有限元程序进行了缺口附近轴对称问题的循环应力和应变计算，研究了非均匀分布复杂应力状态下低周期疲劳寿命。结果表明，２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ材料复杂应力状态下低周疲劳总寿命和裂纹扩展寿命可采用当量形式的Ｍａｎｓｏｎ－Ｃｏｆｆｉｎ公式进行表征。

为了确定机械制造用橡胶材料的疲劳寿命,采用试验测定与理论分析相结合的方法对其展开研究。使用疲劳试验机对带有预制切口的哑铃型橡胶试件进行疲劳试验,确定其疲劳试验寿命;采用断裂力学的方法预测其理论疲劳寿命。通过对比分析试验疲劳寿命和预测寿命的相关性,确定用裂纹扩展法预测橡胶材料疲劳寿命是可行的。

结合动力学仿真和扩展有限单元法(XFEM)，对某城轨车辆齿轮箱齿轮进行裂纹扩展分析。通过动力学分析，确定扩展有限元模型初始裂纹的位置及载荷加载位置；建立扩展有限元模型，对计算结果进行分析，总结齿轮齿根裂纹扩展规律。结果表明，齿根处最大弯曲应力位置不随齿轮啮合过程而改变，裂纹起裂位置应在此位置附近；裂纹尖端应力值在量化一裂纹长度到达0.61前低速率稳定增加，0.61后裂纹进入瞬断区，裂纹尖端应力值变化明显；结合有限元动力学及扩展有限元分析发现，裂纹扩展初期属于Ⅰ型裂纹，在裂纹扩展的中后期属于Ⅰ、Ⅱ混合型裂纹；不同加载位置结果显示，扩展初期裂纹偏转角度随着加载位置的下移而减小，扩展后期裂纹整体沿着齿厚方向进行扩展。

基于扩展有限元方法和线弹性断裂力学理论,使用Fortran语言开发二维裂纹扩展计算程序,并对程序计算准确性进行验证。在此基础上,仿真计算离心力、初始裂纹参数和轮缘厚度系数(Backupratio)对齿轮齿根二维裂纹扩展的影响,计算结果表明,齿根初始裂纹位置对齿根裂纹扩展的路径影响很大,初始裂纹位置越靠近齿槽中心位置,越容易发生齿轮轮缘断裂(裂纹沿径向扩展至断裂);齿轮轮缘厚度对齿根裂纹影响很大,轮缘厚度系数越小,越容易发生轮缘断裂,同时发生轮缘断裂的裂纹初始位置范围越大;离心力对齿轮齿根裂纹扩展影响很大,离心力越大,越容易发生轮缘断裂,同时发生轮缘断裂的裂纹初始位置范围越大;该研究成果对提高齿轮在高速工况下的可靠性和超安全性具有一定的工程应用价值。

在交变载荷的作用下,压力容器中存在的微小裂纹很容易导致疲劳破坏。针对引起疲劳破坏的影响因素、疲劳裂纹扩展形式及规律进行了研究,依据国内外数值模拟的研究现状,探讨和总结了近年来用于数值模拟疲劳裂纹扩展的基本理论、基本方法等。

通过三维裂纹扩展有限元仿真分析与低循环疲劳裂纹扩展试验相结合,研究了某高压涡轮盘损伤容限特征。基于有限元仿真分析获得的螺栓孔部位的应力和变形,开展了三维裂纹扩展寿命仿真计算,得到裂纹扩展速率的计算值。在轮盘低循环疲劳试验中,通过螺栓孔内壁面处定期荧光渗透检测和裂纹长度检测,记录了裂纹发展情况;在轮盘破裂后,通过疲劳断口扫描电镜观察,获得了裂纹扩展特征。结果表明,仿真计算与试验断口分析得到的裂纹前沿扩展历程、裂纹扩展寿命之间均存在较好的一致性。

针对风力机工作环境的恶劣性以及风力机叶片裂纹扩展的复杂性，本文利用计算流体力学（CFD）和断裂力学仿真分析，以风力载荷作为裂纹扩展的主要载荷，利用流固耦合界面的数据传递对风力机叶片裂纹扩展机理进行仿真分析。在叶根表面嵌制一不同初始尺寸的半椭圆型三维裂纹，并在不同风速的条件下计算三维裂纹应力强度因子，分析不同初始尺寸裂纹在不同风速下的动态裂纹扩展机理。结果表明，裂纹的初始尺寸与风力载荷的大小均对叶片的裂纹扩展速率与方向产生影响，且在高风速下裂纹发生失稳扩展的几率增大。