单边穿透裂纹楔块法疲劳止裂的有限元模拟
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一 一
对 于 由聚 合 物 等 材 料诱 导 的人 工 楔 块 止 裂 技
术 ，在 实验研究 、楔块 材料 开发 、加楔 块工艺 、止 裂机理分 析探讨 、模 型化等 方面 已经完 成 了大量研 究 工作 Ｊ 。相 比之 下 ，理 论研 究 比较 薄 弱 。随着
图 １ 单 边 穿 透 裂纹 试 件 尺 寸
计 算力 学学科 的发展 ，用有 限元 等数值 手段模 拟裂
纹扩展 成为一 个新 的研 究趋 势 ，受到更 多重视 。人 们 也开始 把有 限元法 引入楔块 止裂 研究 。本文利 用
有 限元方 法对单 边穿透 裂纹含 楔块 结构进 行 了初 步
的力学分 析 。
图 ２ 单边穿透裂纹试件裂纹处局部尺寸
３ ０
单 边 穿透 裂纹楔 块 法疲 劳止 裂的有 限元模 拟
wk.baidu.com
单 边 穿 透 裂 纹 楔 块 法 疲 劳 止 裂 的 有 限 元 模 拟
马晓 荣 银 建 中
（ 连 理 工 大 学化 工 机 械 学 院 ） 大
摘
要
采 用有 限元 方法 ，建立 了二 维裂纹一 楔块接 触 问题 的有 限元模 型 。模拟计 算 了楔 块
即所谓 的两个 面初始 渗透 。
图 ３ 网格 划 分
２ 结果与讨 论
１ ２ １ 裂纹张 开 口位 移变化 曲线 ．． 外载荷作 用下 ，沿裂纹 长度方 向张 开位移 变化 曲线 如 图 ４所 示 。由于楔块 是在加 楔载荷 作用下 在 裂纹 内形成 的 ，固化 时其横 截面形状 与 图 ４中曲线
用 １４位 移法特 殊单 元 ，选取 半径 ０ ８ ｍ，环 向 ／ ． １ｍ 划分 ８份 。其 他 远裂 纹 尖 端 部位 采 用 自由 网格 划 分 ，如图 ３所示 。共 包括 ４ ０ ７ ９个 节点 ，１７ ５ ２个单 元 。１ 楔块材料 的力学 性质 为 ：固化 后弹性模 量 约 ｝ ≠
０ 前 言
接 触 问题
有 限元 分析
单边 穿透 裂纹
疲 劳
为 了验 证 楔 块 法 的止 裂 效 果 ，周 明 绪 进 行 了含 楔块 单边穿 透裂 纹三点 弯 曲疲 劳试 验 。本文基 于该 试验 条件进 行有 限元模 拟 ，试 件几 何尺 寸如 图 １和 图 ２所 示 。用 ０ ３的钼 丝 切 割 长 度 为 ８～９ ．
止裂 方法 主要 包 括 ：激 光熔 覆 止 裂 、 电磁 热 止 裂 、 打孔 止裂 、胶接 补强 以及人 工楔块 等 。其 中人 工楔
块法 疲劳 止裂 技术 有 其 明 显特 点 ：对 母 材无 损 害 、 止 裂效果 明显 、所用设 备简 单等 特点 … 。
—
Ｉ
Ｌ １０ ８ ） （６ ￣Ｉ０ ８０８ ）
１ 有 限元模型 的建立
１２ 含楔块 单边 穿透裂 纹有 限元模 型 ．
根据试 件几何 特性 ，选 取试件 １２建模 。采用 ／
１ １ 含楔块 单边 穿透裂 纹几何 尺寸 ．
｛马 晓 荣 ，男 ，１ ８ ９ ３年 １ １月 生 ，硕士 研 究 生 。 大 连市 ，ｌ６ １ 。 １０ ２
《 工装备技 术》 ３ 化 第 ｌ卷 第 １期 ２ １ ００年 ２ 一 ８节点等 参平 面 单 元 Ｐ Ａ Ｅ ８ 。裂 纹 尖 端采 Ｄ Ｌ Ｎ ２
的微 （ ） 纹 ，在 复 杂 恶 劣 的介 质 氛 围 中 ，因压 小 裂
力 、温度 波动 以及介质 腐蚀 等动载 荷作用 仍存在 进
一
比 Ｒ＝ ． ２ ０ １ 。试 验 频 率 为 １０～１ ０ Ｈ ，跨 距 Ｓ＝ ２ ４ ｚ
１ ４ ｍｍ 。 ４
步扩展 直至脆 断破坏 的危 险性 。抗疲 劳止裂技 术 自然成为 重要 的安全保 障 。 目前 ，比较成 熟 的疲 劳
３ ｌ
为 ５Ｇ ａ Ｐ ，压缩屈 服极 限 约为 ４ ａ ０ＭＰ 。
图 ５ 机 械 缺 口处楔 块 （ ） ａ 与裂 纹 面 内楔 块 （ ） 接 部 位 ｂ连
接触 刚度 Ｆ Ｎ为 ３ Ｋ ，裂纹 面与楔块 之间无 滑动 ，计 算时选 择摩擦 系数 为 ０ ３ ． 。对 于楔块一 裂 纹 面接 触 问题 ，初始建模 时楔块 与裂 纹 面按 部 分重 叠处 理 ，
作用 力较 大 ，接触 应 力在 ６ ａ以上 ，这正 是 机 ０ ＭＰ 械缺 口所 在部位 。而近裂 纹尖端 部分 ，由于是真 实
与裂纹 面之 间的接 触应力 分布 、楔块作 用 下裂纹张 开位移 、有 效应 力强度 ｋ因子 等参数 。分
别讨论 了加楔 条件 、楔块材 料性 质等 因素对楔 块 法疲 劳裂纹止 裂效果 的影 响。上 述初 步分析
结果 可以为楔 块 法疲劳止 裂技 术 的理论研 究提供 一 定参考 。
关 键词 楔块 止裂
图 ６ 裂 纹 面 上接 触 应 力 分 布
裂纹而 上点距 离裂纹 尖端距离
由图 ６可知 ，在试样 厚度方 向 ，从裂 纹嘴部 到
图 ４ 裂 纹 面上 张 开 位 移
距离 裂纹尖 端约 ２ｍｍ范 围 内，楔 块 对裂 纹 面 的反
１２ ２ 楔块 体 的结构 和单元 划分 ．． 图 ５所示 为楔块 有 限元模 型 。 由于机 械缺 口和
形状 。
２ １ 裂 纹面 与楔块之 间 的作 用力 ．
最 小外 载荷 Ｐ 作用 下 ，距 离裂 纹尖 端不 同长
度上裂 纹 的作 用压强 如 图 ６所示 。
００１ ＿ ２５
芷
Ｒ
Ｏ０ｌ ． ｏＤ
翅 崴 ００５ ． ７ ０
撼
蒸ｏ５ ．０ ０ ０
０Ｄ ５ ２
Ｏ ００ ． ０ ０
ｍ 的初 始 机 械 缺 口 ，之 后 预 制 ２～３ ｍ 长 的裂 ｍ ｍ 纹 。载荷 为 Ｐ ｉ ． ６ Ｎ，Ｐ ：１ ． Ｎ，载荷 ＝１７ ４ｋ ４７ｋ
金属 结构件 ，特别 是压 力容器 、石 化设备 多 由
焊 接而成 ，存在 裂纹几 乎成 为不 可避免 的事实 。 因 设 计 、制造 水平 不断提 高 ，管理检 验 １趋 规范 化和 ３ 科学 化 ，断裂事故 明显 减少 。但静 强度 容限 内安 全
对 于 由聚 合 物 等 材 料诱 导 的人 工 楔 块 止 裂 技
术 ，在 实验研究 、楔块 材料 开发 、加楔 块工艺 、止 裂机理分 析探讨 、模 型化等 方面 已经完 成 了大量研 究 工作 Ｊ 。相 比之 下 ，理 论研 究 比较 薄 弱 。随着
图 １ 单 边 穿 透 裂纹 试 件 尺 寸
计 算力 学学科 的发展 ，用有 限元 等数值 手段模 拟裂
纹扩展 成为一 个新 的研 究趋 势 ，受到更 多重视 。人 们 也开始 把有 限元法 引入楔块 止裂 研究 。本文利 用
有 限元方 法对单 边穿透 裂纹含 楔块 结构进 行 了初 步
的力学分 析 。
图 ２ 单边穿透裂纹试件裂纹处局部尺寸
３ ０
单 边 穿透 裂纹楔 块 法疲 劳止 裂的有 限元模 拟
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单 边 穿 透 裂 纹 楔 块 法 疲 劳 止 裂 的 有 限 元 模 拟
马晓 荣 银 建 中
（ 连 理 工 大 学化 工 机 械 学 院 ） 大
摘
要
采 用有 限元 方法 ，建立 了二 维裂纹一 楔块接 触 问题 的有 限元模 型 。模拟计 算 了楔 块
即所谓 的两个 面初始 渗透 。
图 ３ 网格 划 分
２ 结果与讨 论
１ ２ １ 裂纹张 开 口位 移变化 曲线 ．． 外载荷作 用下 ，沿裂纹 长度方 向张 开位移 变化 曲线 如 图 ４所 示 。由于楔块 是在加 楔载荷 作用下 在 裂纹 内形成 的 ，固化 时其横 截面形状 与 图 ４中曲线
用 １４位 移法特 殊单 元 ，选取 半径 ０ ８ ｍ，环 向 ／ ． １ｍ 划分 ８份 。其 他 远裂 纹 尖 端 部位 采 用 自由 网格 划 分 ，如图 ３所示 。共 包括 ４ ０ ７ ９个 节点 ，１７ ５ ２个单 元 。１ 楔块材料 的力学 性质 为 ：固化 后弹性模 量 约 ｝ ≠
０ 前 言
接 触 问题
有 限元 分析
单边 穿透 裂纹
疲 劳
为 了验 证 楔 块 法 的止 裂 效 果 ，周 明 绪 进 行 了含 楔块 单边穿 透裂 纹三点 弯 曲疲 劳试 验 。本文基 于该 试验 条件进 行有 限元模 拟 ，试 件几 何尺 寸如 图 １和 图 ２所 示 。用 ０ ３的钼 丝 切 割 长 度 为 ８～９ ．
止裂 方法 主要 包 括 ：激 光熔 覆 止 裂 、 电磁 热 止 裂 、 打孔 止裂 、胶接 补强 以及人 工楔块 等 。其 中人 工楔
块法 疲劳 止裂 技术 有 其 明 显特 点 ：对 母 材无 损 害 、 止 裂效果 明显 、所用设 备简 单等 特点 … 。
—
Ｉ
Ｌ １０ ８ ） （６ ￣Ｉ０ ８０８ ）
１ 有 限元模型 的建立
１２ 含楔块 单边 穿透裂 纹有 限元模 型 ．
根据试 件几何 特性 ，选 取试件 １２建模 。采用 ／
１ １ 含楔块 单边 穿透裂 纹几何 尺寸 ．
｛马 晓 荣 ，男 ，１ ８ ９ ３年 １ １月 生 ，硕士 研 究 生 。 大 连市 ，ｌ６ １ 。 １０ ２
《 工装备技 术》 ３ 化 第 ｌ卷 第 １期 ２ １ ００年 ２ 一 ８节点等 参平 面 单 元 Ｐ Ａ Ｅ ８ 。裂 纹 尖 端采 Ｄ Ｌ Ｎ ２
的微 （ ） 纹 ，在 复 杂 恶 劣 的介 质 氛 围 中 ，因压 小 裂
力 、温度 波动 以及介质 腐蚀 等动载 荷作用 仍存在 进
一
比 Ｒ＝ ． ２ ０ １ 。试 验 频 率 为 １０～１ ０ Ｈ ，跨 距 Ｓ＝ ２ ４ ｚ
１ ４ ｍｍ 。 ４
步扩展 直至脆 断破坏 的危 险性 。抗疲 劳止裂技 术 自然成为 重要 的安全保 障 。 目前 ，比较成 熟 的疲 劳
３ ｌ
为 ５Ｇ ａ Ｐ ，压缩屈 服极 限 约为 ４ ａ ０ＭＰ 。
图 ５ 机 械 缺 口处楔 块 （ ） ａ 与裂 纹 面 内楔 块 （ ） 接 部 位 ｂ连
接触 刚度 Ｆ Ｎ为 ３ Ｋ ，裂纹 面与楔块 之间无 滑动 ，计 算时选 择摩擦 系数 为 ０ ３ ． 。对 于楔块一 裂 纹 面接 触 问题 ，初始建模 时楔块 与裂 纹 面按 部 分重 叠处 理 ，
作用 力较 大 ，接触 应 力在 ６ ａ以上 ，这正 是 机 ０ ＭＰ 械缺 口所 在部位 。而近裂 纹尖端 部分 ，由于是真 实
与裂纹 面之 间的接 触应力 分布 、楔块作 用 下裂纹张 开位移 、有 效应 力强度 ｋ因子 等参数 。分
别讨论 了加楔 条件 、楔块材 料性 质等 因素对楔 块 法疲 劳裂纹止 裂效果 的影 响。上 述初 步分析
结果 可以为楔 块 法疲劳止 裂技 术 的理论研 究提供 一 定参考 。
关 键词 楔块 止裂
图 ６ 裂 纹 面 上接 触 应 力 分 布
裂纹而 上点距 离裂纹 尖端距离
由图 ６可知 ，在试样 厚度方 向 ，从裂 纹嘴部 到
图 ４ 裂 纹 面上 张 开 位 移
距离 裂纹尖 端约 ２ｍｍ范 围 内，楔 块 对裂 纹 面 的反
１２ ２ 楔块 体 的结构 和单元 划分 ．． 图 ５所示 为楔块 有 限元模 型 。 由于机 械缺 口和
形状 。
２ １ 裂 纹面 与楔块之 间 的作 用力 ．
最 小外 载荷 Ｐ 作用 下 ，距 离裂 纹尖 端不 同长
度上裂 纹 的作 用压强 如 图 ６所示 。
００１ ＿ ２５
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ｍ 的初 始 机 械 缺 口 ，之 后 预 制 ２～３ ｍ 长 的裂 ｍ ｍ 纹 。载荷 为 Ｐ ｉ ． ６ Ｎ，Ｐ ：１ ． Ｎ，载荷 ＝１７ ４ｋ ４７ｋ
金属 结构件 ，特别 是压 力容器 、石 化设备 多 由
焊 接而成 ，存在 裂纹几 乎成 为不 可避免 的事实 。 因 设 计 、制造 水平 不断提 高 ，管理检 验 １趋 规范 化和 ３ 科学 化 ，断裂事故 明显 减少 。但静 强度 容限 内安 全