热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和抗腐蚀设计方法

对于沿海地区或海洋环境中使用的航空发动机来说,由于高温、机械载荷和盐雾环境的共同作用,热腐蚀疲劳破坏是影响其热端部件服役寿命的主要因素.本文对热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和防腐蚀设计方法进行了总结、归纳及评述,提出了未来的研究趋势与发展方向.首先介绍航空发动机热端部件的热腐蚀疲劳故障案例、损伤演化机理;其次,重点分析了低温腐蚀疲劳寿命的唯象模型、损伤力学模型、断裂力学模型以及机器学习模型;再次,对几种代表性的考虑腐蚀演化不同阶段的分段式腐蚀疲劳全寿命模型进行综述,还分析指出了腐蚀疲劳全寿命模型的发展趋势;从次,对航空发动机材料选择、零件制造、结构强度设计和外场运行维护不同阶段的抗腐蚀方法进行了综述.最后,对增材制造零部件的热腐蚀疲劳问题以及无损检测技术、人工智能等与热腐蚀疲劳研究的结合进行了展望.     

腐蚀环境作用后LC4铝合金疲劳累积损伤竞争模型

日历腐蚀环境作用后材料或结构件的疲劳累积损伤规律是科学地确定飞机结构日历寿命的关键，为此本文进行了多种“疲劳 腐蚀”模式的损伤累积试验，研究了“机械栽荷”和“腐蚀载荷”的相互影响，提出了腐蚀环境作用后疲劳累积损伤的竞争模型。与实验结果的比较表明在“疲劳 腐蚀 疲劳……”的加载模式下竞争模型与试验结果吻合较好。     

腐蚀条件下飞机结构疲劳寿命评定技术的试验验证

一般环境下飞机结构疲劳寿命评定技术已相对成熟,而建立在模拟试验基础上的腐蚀条件下飞机结构疲劳寿命评定技术目前尚不完善.本文通过退役飞机全尺寸结构疲劳试验结果与对应的关键部位腐蚀条件下疲劳寿命评定结果的对比分析方法,验证腐蚀条件下飞机结构疲劳寿命评定方法,同时提出了用已服役多年飞机全尺寸结构疲劳试验结果修正地面停放腐蚀修正系数曲线及加速环境谱当量加速关系的方法.     

金属材料疲劳损伤的宏细观理论

工程结构的疲劳损伤发展过程经历了由初始缺陷的形成、裂纹的稳态扩展直到最后失效的不同发展阶段,通常疲劳损伤的演化可以概括为以下几个阶段:(1) 亚结构和微观结构的变化引起永久损伤的形成,产生微观裂纹;(2) 微观缺陷的长大会合形成主裂纹;(3) 主裂纹稳态扩展;(4) 结构失稳或完全失效.首先论述了疲劳裂纹扩展的物理机制,并从细观和宏观两个方面总结了处理疲劳裂纹问题的最新研究成果,对位错力学在处理短裂纹扩展问题中的应用,以及无位错区(DFZ)在疲劳裂纹扩展中的作用进行了较详细讨论.      

考虑静强度要求的飞机金属结构腐蚀/疲劳交替寿命预测方法

腐蚀环境下飞机金属结构疲劳关键件的寿命评定是飞机结构寿命监控的重要工作。为此,模拟飞机结构经历的"地面腐蚀+空中疲劳"过程,构建了考虑静强度要求的腐蚀/疲劳交替寿命预测模型。首先分析了结构静强度要求对腐蚀损伤的限制,然后基于腐蚀影响系数法提出了将腐蚀损伤当量成疲劳寿命的衰减;进一步分析了结构静强度对疲劳累积损伤的影响;最后,建立了基于静强度和累积损伤准则的腐蚀/疲劳交替寿命预测模型。计算结果表明:由于结构静强度的要求,不同使用强度下飞机结构疲劳寿命和日历寿命的消耗基本服从分段的线性关系;在使用强度为4.517万次/天和3.591万次/天时,疲劳寿命和日历寿命的消耗存在"平衡点",可以通过调整使用强度,达到二者同时到寿的目标。该模型可以为飞行计划的调整提供参考。     

纤维加强金属基复合材料热机械疲劳模型的研究进展

纤维增强金属基复合材料的热机械疲劳(thermomechanical fatigue 简称TMF)特性的研究在近年受到高度重视.本文根据国内外近期进行的理论研究以及获得的主要成果作一概要介绍.对于热机械循环特性,主要介绍基于细观力学方法的轴向性质模型,以及基于断裂与损伤理论的横向性质模型.对于热机械疲劳性能研究,结合横向性质导出两种热机械疲劳模型,然后分析基体的细观结构对疲劳寿命的影响.      

高温结构材料的蠕变和疲劳研究的一些新进展

高温部件长期在高温严酷环境和载荷作用下,蠕变和疲劳是制约其使用寿命的重要因素,成为高温结构强度领域的关键问题,近年来日益受到研究者们的高度关注。本文回顾了实际高温结构部件和材料的失效机制、损伤评估以及寿命预测等方面的研究进展,着重介绍了本课题组在高温蠕变和疲劳领域的最新研究成果,并对该领域今后的发展方向进行了展望。     

长期载人航天器舱内金属构件盐雾腐蚀疲劳寿命预估的损伤力学方法

根据热力学原理分别建立了预估单纯疲劳载荷作用下和单纯腐蚀环境下长期载人航天器舱内金属构件的损伤演化方程;并建立了疲劳载荷作用下和预腐蚀疲劳作用下光滑标准件的疲劳寿命预估方法;根据所建立方法和无腐蚀、预腐蚀条件下标准件的疲劳试验结果,建立了损伤演化方程中材质参数的识别方法;最后,建立了长期载人航天器舱内金属构件盐雾腐蚀疲劳寿命预估的损伤力学方法。计算结果与试验结果相比误差在5%以内,二者吻合较好。本文研究可为其他金属构件的预腐蚀和腐蚀疲劳寿命预估提供参考。     

金属损伤复合材料胶接修补结构力学试验研究

为评估金属损伤复合材料胶接修补结构的剩余强度和剩余寿命,进行了含腐蚀和疲劳损伤LY12CZ航空铝合金板碳/环氧复合材料补片胶接修复结构的力学性能试验,分析了在静拉伸和疲劳载荷作用下修补结构的破坏模式、失效机理。试验研究发现:复合材料胶接修补技术有效改善了腐蚀和疲劳损伤这两类损伤区域的受力状况,恢复了其载荷传递路线,其静拉伸失效形式为金属韧性断裂后胶层脱粘的分步渐进式破坏;与含损伤未修补试样相比,胶接修补大幅度提高了试件的剩余强度和剩余寿命恢复率,修补后铝合金试件承载能力增加了约25%,疲劳寿命增加至修补前的约4倍~5倍。     

杆系结构静强度和疲劳失效机理及可靠性分析

根据疲劳载荷造成的疲劳累积损伤对结构极限承载力的影响情况,讨论了结构系统承载能力的可靠度计算方法,分析了结构系统中每一个单元在静载和疲劳载荷作用下的两种失效模式,并考虑了二者之间的相关性对该单元可靠性的影响,具体分析了结构系统在这两种载荷作用下的失效机理,给出了在这两种载荷作用下结构系统的可靠性分析方法. 算例表明,在不同的使用年限内,静载和疲劳载荷对结构系统可靠性的影响是不同的;在结构系统主要失效路径中既有单元静强度失效又有单元疲劳失效,这是符合结构系统使用真实情况的.     

基于实测荷载的铁路钢桁梁桥疲劳可靠性评估

为了对钢桁梁桥疲劳进行评估,引入可靠性理论,提出了基于实测荷载的桥梁疲劳可靠性评估方法。根据某铁路钢桁梁桥实测车辆荷载数据,建立了随机车辆荷载模型。并在考虑车辆荷载随机性的基础上,结合Monte-Carlo法与有限元,分析了钢桁梁桥构件疲劳应力谱,计算了构件疲劳可靠性随时间的变化,并探讨了车辆荷载及荷载效应变异性对构件疲劳可靠性的影响,最后采用β约界法与静力分析法对钢桁梁桥系统疲劳可靠性进行了研究。结果表明,基于随机车辆荷载的构件疲劳应力谱呈现单峰分布;构件疲劳可靠性随运营时间的增加而减小;车辆荷载的增长及荷载效应变异性的增加对构件疲劳可靠性影响较大,当车辆荷载增长率和等效应力变异系数分别增加到5%时,构件疲劳寿命大幅减小;β约界法结合静力分析法可快速确定钢桁梁桥失效模式,桥梁系统疲劳寿命小于构件疲劳寿命。总的来看,基于实测荷载的钢桁梁桥疲劳可靠性评估方法能有效地利用监测数据,对桥梁疲劳评估具有良好的适用性。     

海上平台结构疲劳与疲劳可靠性分析程序设计

本文介绍了作者开发的适用于固定式导管架海上平台结构系统疲劳与疲劳可靠性分析程序系统的设计原理、结构及功能特点。最后，以一固定式导管架平台作为算例验证了程序系统的可靠性与实用性。     

既有铁路钢桥剩余疲劳寿命的概率性评估

中国铁路线上大量既有钢桥承受着日益繁重的交通荷载,其疲劳剩余寿命与使用安全已受到桥梁管理部门的高度重视,为避免不必要的维护与更换,应建立合理的既有钢桥使用安全评估方法。在建立能反映铆接钢桥疲劳破坏机理的脆断和韧断概率失效模型基础上,给出了疲劳可靠性分析的极限状态方程,并合理确定了随机变量的参数取值。建立了铆接钢桥构件双角钢概率疲劳破坏模型,基于Monte Carlo算法实现了铆接钢桥构件双角钢疲劳断裂失效概率的计算,编制了相应的概率断裂分析程序DAPFF。进而将概率断裂力学评估方法应用于京九线赣江桥的时变疲劳可靠度分析,并给出了赣江桥概率疲劳剩余寿命评估结果与维护对策。     

基于更新支持向量的大跨度斜拉桥体系可靠度分析

针对斜拉桥静力体系可靠度分析中隐式功能函数重构和繁杂失效路径的特点,提出了一种基于更新支持向量的体系可靠度分析方法,将传统的用于构件可靠度分析的支持向量机(SVM)改进并应用于斜拉桥体系可靠度分析。该方法主要有4个步骤:首先通过构件的敏感分析识别斜拉桥的主要失效路径;其次采用最小二乘支持向量机(LS-SVM)对斜拉桥的隐式功能函数进行重构,并通过Monte-Carlo抽样得出构件的可靠指标;然后根据已经更新的有限元模型对支持向量进行更新,得出相关构件失效后的剩余构件的条件可靠指标;最后由结构体系的失效树和串并联关系得出斜拉桥的体系可靠度。主跨为420m的混凝土斜拉桥算例分析表明了上述算法的有效性和实用性,同时也获得了该斜拉桥的主要失效路径并识别了影响其体系可靠度的主要构件。     

结构体系的非概率可靠性分析方法

结构体系的可靠性与结构的失效模式有关。在非概率条件下 ,结构体系的可靠性取决于非概率可靠性指标最小的最危险失效模式。最危险失效模式的识别及相应极限状态方程的建立是结构体系非概率可靠性计算的关键问题。文中考虑了结构参数及强度、外载荷等参量的不确定性 ,基于随机可靠性方法中常用的优化准则法 ,提出了非概率结构体系主要失效模式的枚举准则。可在只需枚举出少量主要失效模式的情况下 ,不漏掉最危险失效模式。并提出用区间增量载荷法生成主要失效模式的极限状态方程。算例分析表明文中方法是实用和有效的。     

可靠性敏度分析方法及其在非线性蠕变疲劳失效模型中的应用

针对非线性极限状态方程,发展了两种基本随机变量为非正态情况下的可靠性敏度分析方法:基于改进一次二阶矩的近似解析法和基于Monte-Carlo的数字模拟法.近似解析法中非正态变量首先被等价变换为正态变量,然后用正态变量的敏度分析法和隐函数求导法则来得到失效概率对非正态变量分布参数的灵敏度,求解敏度的数字模拟法是从计算失效概率的所有样本点中选取合适的抽样点,利用回归分析和隐函数求导法则来求取可靠性灵敏度的.所提方法被用于非线性蠕变疲劳失效模式的可靠性灵敏度分析,近似解析法和数字模拟法结果的一致说明了所提方法的合理可行.蠕变疲劳失效的可靠性灵敏度随参数的变化趋势分析为工程设计提供了有益指导.     

考虑载荷流泄时盾构机T形焊接结构疲劳可靠性分析

T形焊接结构是盾构机刀盘的关键结构之一,焊接处裂纹在亚临界的扩展是其疲劳失效的关键因素。文章考虑载荷流泄情况下,基于概率断裂力学的一次二阶矩方法提出了一种新的结构疲劳可靠性分析方法。将该方法应用到某盾构机T形焊接结构,给出了考虑与不考虑载荷流泄两种情况下结构疲劳可靠性计算结果,并用Monte Carlo方法验证了文章方法的有效性;利用最小二乘法拟合出了载荷流泄系数对该T形焊接结构疲劳可靠性的影响曲线,将该曲线划分了三个区域：即高、中、低疲劳失效区。结果表明在考虑和不考虑载荷流泄时,T形焊接结构的疲劳失效概率分别是8.2644e-05和3.4314e-04,即载荷流泄能一定程度上提高了结构的疲劳可靠度;实际工程在盾构机T形焊接结构疲劳可靠性设计时,T形焊接结构的厚度作为一个设计变量,而低失效区可以作为一个可靠度约束条件。研究成果为实际工程上盾构机刀盘的维修、检验计划和设计都有一定的理论指导意义。     

基于主动学习神经网络的转向架构架疲劳可靠性分析

为了提高转向架构架疲劳可靠性分析的精度与效率,提出一种主动学习BR-BP神经网络模型与Monte Carlo法相结合的可靠性分析方法。该方法针对BP神经网络的缺陷,使用贝叶斯正则BR(Bayesian regularization)算法作为训练算法,以提高神经网络的拟合精度与收敛速度,并考虑可靠性分析的固有特点,构造了一种适用于BP神经网络的主动学习函数,用于指导最佳样本点的选择。提出的学习函数不仅保证了样本点分布在极限状态函数附近,还考虑了样本点的预测误差以及样本点分布对失效概率计算的影响。转向架构架可靠性分析结果表明,本文方法在提高拟合精度的同时兼顾了计算效率,验证了所提方法的优越性与可行性。     

薄壁圆管空间结构的热疲劳可靠性分析

针对薄壁圆管的空间结构,分析其在交变热载荷下的疲劳可靠性问题。为同时考虑由截面平均温度和截面温差造成的疲劳损伤,提出了综合利用剩余强度和疲劳累积损伤模型的分析方法。首先根据疲劳累积损伤相等原理,将截面温差造成的多级扰动应力载荷作用频次等效为平均温度下的常幅应力载荷作用次数,从而将两者产生的热应力载荷统一为一常幅载荷,再利用剩余强度模型基于动态应力-强度干涉理论对疲劳可靠度进行分析,得到了结构在综合考虑两种热疲劳状态下的动态可靠度。本方法可避免直接利用疲劳累积损伤理论临界损伤值难以确定的问题,且能体现金属疲劳损伤的真实情况。最后以哈勃望远镜为例,分析了其主梁随疲劳热载荷循环作用下的动态可靠度,得出了一些有意义的结论。