收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

CFL加固钢板中表面裂纹扩展规律研究

赵传宇  
【摘要】:表面裂纹是金属结构中的常见缺陷,广泛存在于石油天然气管道、钢桥、海洋钻井平台、航空机械等金属结构中。尺寸较小时,表面裂纹对结构的承载力影响较小,但在环境与载荷的反复作用下容易发生扩展,并最终造成结构的破坏。如果不能及时发现,甚至会造成重大灾难。因此,表面裂纹是金属结构中一个不可小视的安全隐患。为了减少或杜绝该类安全隐患,采用纤维增强复合材料(FRP)加固含表面裂纹的钢结构无疑是一种先进的技术,也是钢结构加固领域的前沿课题。为此,本文采用本课题组发明的新型FRP片材——碳纤维薄板(CFL),对含三维表面裂纹的钢板进行了加固,并对加固后三维表面裂纹的应力强度因子进行了数值分析,然后在此基础上,对CFL加固钢板中三维表面裂纹的疲劳扩展规律进行了探讨。本文主要研究内容和结论如下: 1)CFL加固钢板中三维表面裂纹应力强度因子的数值分析方法。根据表面裂纹前缘所处的应力状态,对不同应力状态下I型裂纹的应力强度因子采用不同的计算公式,提出了CFL加固钢板中三维表面I型裂纹的应力强度因子的有限元计算方法;通过Python语言进行参数化建模,编制了以Python语言为基础的Abaqus接口程序,并开发了三维表面I型裂纹的应力强度因子求解器。采用上述计算方法和程序,可以显著地降低应用Abaqus在求解表面裂纹应力强度因子时的计算误差,省去了GUI界面操作的重复而繁重工作,可以方便地对有限元计算模型进行修改和重建,提高了计算工作效率。 2)CFL厚度对应力强度因子(加固效果)的影响规律。采用上述数值计算方法和应力强度因子求解器,通过对拉伸、弯曲、弯拉组合载荷作用下、不同厚度的CFL加固钢板中三维表面裂纹的应力强度因子进行有限元分析,探讨了表面裂纹的应力强度因子随CFL厚度的变化规律。研究结果表明,CFL加固可以显著降低表面裂纹的应力强度因子;随着CFL厚度的增加,加固效果的提升幅度(应力强度因子降低幅度)逐渐减小,尤其是当CFL厚度大于0.6mm以后,加固效果几乎不再提高,即过多地使用加固材料将会造成材料的浪费;在最大拉应力相同的条件下,三种载荷下CFL对应力强度因子的加固效果从高到低依次为:弯曲载荷、弯拉组合载荷、拉伸载荷。 3)裂纹参数对应力强度因子的影响规律。利用上述应力强度因子求解器进行有限元分析,分别探讨了在拉伸、弯曲、弯拉组合载荷作用下,不同裂纹参数对应力强度因子(加固效果)的影响规律。研究结果表明,在拉伸、弯曲、弯拉组合载荷下,随着离心角θ和裂纹形状比a/c的增加,CFL加固效果的提高幅度(应力强度因子的降低幅度)逐渐减小;随着裂纹相对深度a/B的增大,在靠近试件表面附近(θ较小)CFL的加固效果显著,但当a/B<0.3时,加固效果略有下降;当a/B>0.3以后,加固效果又有所提高;在最大应力相等的情况下,弯拉组合载荷下,随着弯拉应力比σt/σb的增大,CFL的加固效果呈缓慢下降的趋势。 4)CFL加固钢板中三维表面裂纹的应力强度因子的半经验公式。利用上述应力强度因子求解器,对在各种载荷下、不同CFL厚度、不同的裂纹形状比a/c和裂纹相对深度a/B的CFL加固钢板中三维表面裂纹的应力强度因子进行大量的有限元计算,并对计算结果进行分析和拟合,提出了在拉伸、弯曲、弯拉组合载荷作用下CFL加固钢板中半椭圆表面裂纹的应力强度因子的系列表达式。与有限元计算结果相比,这些表达式的平均相对误差约为2.5%。 5)CFL加固钢板中三维表面裂纹的疲劳扩展实验研究。结合本项目的研究背景,采用管道用材X80高强钢设计和制作试件,探讨了在弯曲载荷作用下、不同的裂纹形状比a/c和裂纹相对深度a/B的CFL加固钢板中三维表面裂纹的疲劳扩展实验方法,成功地将“位移控制勾线法”应用于该类裂纹扩展实验。实验研究结果表明,CFL加固可以显著提高试件的疲劳裂纹扩展寿命(提高2倍以上)。 6)CFL加固钢板中三维表面裂纹的疲劳扩展规律。对上述疲劳裂纹扩展实验数据进行分析,建立了采用表面疲劳裂纹在其长度和深度方向的扩展速率作为该裂纹扩展规律的评判准则;结合前述表面裂纹问题的应力强度因子的研究成果,提出了相应的疲劳裂纹扩展速率的表达式。研究结果表明,在三点弯曲载荷作用下,CFL加固钢板中三维表面疲劳裂纹在其长度和深度方向的扩展速率都可以采用Paris公式来描述。然而,对于未加固试件,表面裂纹在其深度方向上的扩展规律比较复杂,不能简单地用Paris公式来描述。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 陈道礼;基于有限元分析的表面裂纹应力强度因子的拟合估算[J];机械设计与制造;2003年03期
2 张端重,柳春图;含椭圆型表面裂纹板的复合型三维应力强度因子计算与分析[J];力学学报;1989年03期
3 李国义;郝丽丽;李箐泉;;抽油杆杆体表面裂纹应力强度因子的研究[J];石油矿场机械;2007年12期
4 黄士振;卢静玉;沈培辉;;厚壁圆筒半椭圆表面浅裂纹的应力强度因子[J];兵工学报;1991年01期
5 管大椿;H.Fessler;T.H.Hyde;N.A.Warrior;;带凸缘弯曲梁应力集中区内表面裂纹应力强度因子的研究[J];实验力学;1993年01期
6 黎之奇;柳春图;胡振威;;含表面半椭圆裂纹板裂纹尖端应力强度因子的三维光弹分析[J];实验力学;1991年04期
7 刘曦;;关于表面裂纹线弹簧模型的改进[J];机械强度;2007年03期
8 张正国;欧贵宝;;扇形缺口半椭圆表面裂纹应力强度因子K_I[J];哈尔滨工程大学学报;1996年01期
9 涂周杰;李国清;张辉;陈传尧;;有限元子模型法计算箱形结构表面裂纹应力强度因子[J];华中科技大学学报(城市科学版);2006年S2期
10 张盛明;柴国钟;鲍雨梅;张迎军;张征;;热应力下双材料表面裂纹的应力强度因子[J];浙江工业大学学报;2011年02期
11 黄士振;自增强厚壁圆筒轴向内表面裂纹的应力强度因子[J];工程力学;1995年01期
12 周素霞;张俊清;谢基龙;;空心车轴不同深度表面裂纹应力强度因子研究[J];计算力学学报;2010年04期
13 沈涛,何庆芝;表面裂纹应力强度因子的一种工程计算方法[J];航空学报;1988年S1期
14 李春雨;;用边界元法解圆柱体半椭圆形表面裂纹问题[J];石家庄铁道学院学报;1990年04期
15 刘宝良;阎相桥;肖新科;;含半球形缺陷无限大弹性体表面裂纹的数值分析[J];黑龙江科技学院学报;2008年06期
16 黄其青;谢伟;;有限元重合网格法在三维线弹性断裂力学中的应用研究[J];机械强度;2009年01期
17 谢伟;黄其青;Masanori Kikuchi;;受剪切应力作用的表面裂纹应力强度因子研究[J];机械科学与技术;2010年03期
18 张传立,周思柱,郑金城;接触载荷作用下的表面裂纹分析[J];三峡大学学报(自然科学版);2005年03期
19 卿海;杨卫;吕坚;;多条表面裂纹相互作用的应力分析[J];工程力学;2009年01期
20 段静波;袁杰红;杨政;;残余应力平板表面裂纹的线弹簧模型[J];工程力学;2008年08期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 涂周杰;李国清;张辉;陈传尧;;有限元子模型法计算箱形结构表面裂纹应力强度因子[A];第二届湖北省力学学会青年学术研讨会论文集[C];2006年
2 谢伟;黄其青;;受剪切应力作用的表面裂纹应力强度因子研究[A];第十四届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2008年
3 张宝峰;曲淑英;;海洋平台管节点疲劳研究方法[A];中外力学思维纵横——第四届全国力学史与方法论学术研讨会论文集[C];2009年
4 袁杰红;唐国金;周建平;;未穿透裂纹结构断裂分析[A];第四届全国压力容器学术会议论文集[C];1997年
5 谢伟;张炯;黄其青;殷之平;;有限大体倾斜表面裂纹复合型应力强度因子研究[A];第十五届全国疲劳与断裂学术会议摘要及论文集[C];2010年
6 黄小平;贾贵磊;崔维成;祁恩荣;;海洋钢结构疲劳裂纹扩展预报单一扩展率曲线模型[A];中国钢结构协会海洋钢结构分会2010年学术会议暨第六届理事会第三次会议论文集[C];2010年
7 黄其青;殷之平;;连接耳片双裂纹应力强度因子影响分析[A];疲劳与断裂2000——第十届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2000年
8 刘争光;王锐;马建军;;Ⅱ型平面裂纹和带有弧形表面裂纹夹杂圆的相互作用[A];北京力学会第11届学术年会论文摘要集[C];2005年
9 王娜;王建国;王红缨;;基于Ⅰ-Ⅲ复合型疲劳裂纹扩展的研究[A];全国MTS岩土混凝土试验研讨会论文集[C];2009年
10 谢伟;黄其青;殷之平;;用推广的片条合成法求解工程复杂结构三维裂纹应力强度因子[A];第十二届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 赵传宇;CFL加固钢板中表面裂纹扩展规律研究[D];华南理工大学;2013年
2 李其;抽油杆表面裂纹及剩余寿命的可靠性研究[D];哈尔滨工程大学;2006年
3 林荣伟;CFL加固RC梁疲劳裂纹扩展规律及寿命预测[D];华南理工大学;2010年
4 雍华东;若干先进电磁材料结构的断裂与稳定性等力学特性的理论研究[D];兰州大学;2010年
5 闫明;蠕变—热疲劳可靠寿命预测的若干问题研究[D];东北大学;2008年
6 张俊清;高速列车空心车轴表面裂纹应力强度因子研究[D];北京交通大学;2011年
7 陈枫;岩石压剪断裂的理论与实验研究[D];中南大学;2002年
8 陈景杰;含裂纹损伤船体结构强度分析方法研究[D];大连理工大学;2011年
9 郭凤明;材料强度的特征长度概念及破坏准则[D];上海交通大学;2013年
10 刘晓宇;关于裂纹安全评定及TOFD检测标准的研究[D];北京化工大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 彭俊;光滑弯管环向内表面裂纹的断裂参数及安全评定研究[D];大连理工大学;2011年
2 赵勇刚;有限弹性体表面裂纹问题的有限元分析[D];哈尔滨工业大学;2007年
3 王宏波;门座起重机支撑圆筒的故障诊断及基于MSC.Fatigue的门架结构疲劳有限元分析[D];武汉科技大学;2005年
4 曹国俊;光滑弯管沿轴向内表面裂纹弹塑性有限元分析[D];大连理工大学;2006年
5 肖新科;半球形表面缺陷影响下表面裂纹应力强度因子的数值分析[D];哈尔滨工业大学;2006年
6 王雷;Y型管节点数值模拟及疲劳强度分析[D];华中科技大学;2008年
7 潘琦;表面裂纹对铁路货车轴承性能的影响[D];西南交通大学;2012年
8 齐永华;棱角缺陷裂纹问题研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
9 张盛明;双材料表面裂纹应力强度因子的数值研究[D];浙江工业大学;2010年
10 梁长锦;14MnNbq焊接件应力强度因子与疲劳裂纹扩展[D];华中科技大学;2009年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 吴小兰;带钢表面裂纹自动检测装置[N];世界金属导报;2001年
2 袁少威;南阳汉冶特钢成功解决加硼钢板表面裂纹瓶颈[N];世界金属导报;2010年
3 晓之;激光打标新技术提高玻璃质量[N];中国包装报;2008年
4 ;本钢FTSC薄板坯连铸设备技术先进 品种范围广 产品附加值高[N];世界金属导报;2006年
5 李光玉;安钢攻克中板板坯热送热装表面热裂纹难关[N];世界金属导报;2006年
6 通讯员韩建忠 石晓伟;焦炭金属围挡加固材料进行整列装车运行试验[N];人民铁道;2009年
7 喻承欢 关开明 骆忠汉 徐静波 吴永生 李风喜;武钢二炼钢 含Nb钢连铸表面质量的改进[N];世界金属导报;2002年
8 吕雪莉 陈俊;中外专家相聚兰州“会诊”青藏铁路冻土[N];科技日报;2006年
9 ;薄板坯连铸机技术要求和解决方案[N];世界金属导报;2008年
10 刘振海;石钢开展质量攻关体现质量效益[N];世界金属导报;2006年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978