含广布腐蚀坑结构寿命评估方法

为了定量评估含广布腐蚀损伤老龄化飞机结构的剩余强度, 采用等效裂纹方法将腐蚀坑沿垂 直于外界最大主应力方向进行投影处理, 使其转化为具有相同寿命的等效初始表面裂纹, 然 后采用参数化有限元方法,求解等效裂纹前沿的应力强度因子、裂纹扩展方向和裂纹扩展增量, 建立并应用应力强度因子变化历程, 采用循环接循环的损伤累积方法对含广布等效表面裂纹 在疲劳载荷作用下的寿命进行了预测. 预测结果为复杂环境中含广布腐蚀坑的飞机结构寿命 预测提供了参考.     

高应力比循环下微动疲劳裂纹萌生位置的预测分析

对于微动疲劳问题,循环应力比的大小会影响试件应力状态及分布,从而影响疲劳裂纹的萌生位置.本文通过对一类微动疲劳问题进行有限元法分析,模拟疲劳实验过程,并采用最大应力变化幅△σθmax作为指标预测了不同应力比下疲劳裂纹的萌生位置.数值分析显示,在应力比不是很大时,试件与微动接触头的边缘存在接触,并在此处产生较大的应力集中,容易萌生裂纹;而在应力比足够高时,微动接触头端部与试件呈恒张开状态,△σθmax及裂纹萌生发生在距初始接触区边缘一定距离处.疲劳裂纹萌生位置的理论预测结果与相关试验的疲劳裂纹发生位置比较一致.     

低合金钢在不同条件下的疲劳行为

在空气和腐蚀介质中对低合金钢分别进行疲劳试验,获得了S-N曲线,并对疲劳试样表面和断口形貌进行了观察.结果表明:与空气相比,腐蚀介质使低合金钢的疲劳强度显著降低;在空气中疲劳试样只有一个萌生于试样表面基体的裂纹源,而腐蚀介质中一般有多个裂纹源,多数裂纹源均萌生于点蚀坑;空气中疲劳裂纹扩展区以疲劳辉纹为主,而腐蚀疲劳则以沿晶开裂等脆性特征为主;此外还对空气中的疲劳极限进行了预测,预测值与试验值比较吻合.     

温度影响下基于应力波的钛合金试件疲劳裂纹监测实验研究

本文对温度影响下应用应力波监测钛合金CT试件中的疲劳裂纹进行了研究。建立了由MTS材料试验机和温控箱组成的实验装置,模拟温度变化对应力波在钛合金试件中传播的影响。采用PZT压电元件分别在试件中激励和接收应力波信号。通过连续小波分析,提取应力波信号的多种特征用于表征疲劳裂纹的发生与发展,并对信号特征进行了统计分析。为在温度变化下监测钛合金试件中的疲劳裂纹,对信号特征进行多元偏值分析,采用马氏平方距离融合多个信号特征,在概率统计意义下确定钛合金试件中是否存在疲劳裂纹。实验结果表明了所提出方法的可行性和有效性。     

基于等效结构应力法的铸钢分叉节点环形对接焊缝的疲劳分析

为了掌握铸钢分叉节点与构件连接时焊缝的疲劳性能,利用等效结构应力法对铸钢分叉节点的环形对接焊缝进行了疲劳分析。通过等效结构应力场和缺口应力场确定网格不敏感结构应力,并综合考虑裂纹扩展、缺口应力和疲劳寿命等影响因素,实现等效结构应力的转化,再结合疲劳设计主S-N曲线对焊缝的疲劳寿命进行计算;在ABAQUS静力分析的基础上,利用基于等效结构应力法原理而开发的有限元分析软件FE-SAFE/VERITY,对铸钢分叉节点环形对接焊缝的疲劳寿命进行了分析。研究结果表明:铸钢分叉节点主管端部的环形对接焊缝最危险处的循环次数为105.711;等效结构应力法具有网格不敏感性,利用等效结构应力法能够较好地预测铸钢分叉节点环形对接焊缝的疲劳寿命。     

大气预腐蚀下ER8C车轮钢的疲劳寿命评估

随着高速列车车轮服役里程的增加，车轮辐板持续遭受潮湿大气甚至海洋大气环境的考验，点蚀成为车轮失效的主要原因之一.论文首先在大气自然环境下对ER8C车轮钢高周疲劳试样开展为期180天的曝晒(预腐蚀)试验，随后进行表面形貌和疲劳性能表征.结果表明，预腐蚀后车轮钢的疲劳极限为387 MPa,相比光滑试样下降12%;这主要是由于预腐蚀造成的腐蚀坑使试样表面局部应力集中，加速了疲劳裂纹萌生.采用激光共聚焦显微镜统计预腐蚀试样表面蚀坑尺寸，使用由均值蚀坑尺寸计算得到等效初始缺陷尺寸(EIFS),对预腐蚀车轮钢试样的疲劳寿命进行预测，避免腐蚀疲劳裂纹萌生以及短裂纹扩展对疲劳寿命预测的影响；预测结果与实验结果较为符合，证明了该方法的可行性.论文的主要结论是，通过统计试样表面蚀坑尺寸的均值来获得EIFS的方法，可以计算得到大气预腐蚀后车轮钢的剩余寿命，这验证了EIFS方法在大气预腐蚀下材料疲劳寿命研究中的适用性.     

变应力幅值下的疲劳寿命问题

本文讨论了飞机结构或构件,在变应力幅值下疲劳寿命的估算方法;并根据大量的切口试件的程序疲劳试验,从理论上和实验上阐述了平均应力、少数极高应力、应力次序、循环块几寸以及地一空周等主要因素对对疲劳寿命的影响.     

军机DFR方法在钛合金电子束横焊缝结构上的应用验证

为在飞机结构设计阶段进行钛合金焊接件的疲劳强度评估,采用军机DFR方法进行了TC4-DT钛合金电子束横焊缝试件的疲劳分析,并对其进行了试验验证。首先,进行了TC4-DT钛合金电子束横焊缝试件的DFR基准值测试,得到DFR基准值为470MPa;其次,为了验证军机DFR方法分析结果的可靠性,进行了TC4-DT钛合金电子束横焊缝试件在随机谱下的成组疲劳试验,采用断口判读技术确定裂纹萌生寿命,得到了随机谱下的试验中值寿命;最后,利用测得的DFR基准值,采用军机DFR方法评估得到随机谱下成组试验的试验件中值寿命以及对应试验中值寿命的应力水平。对比分析结果表明:分析寿命比试验寿命低10%,分析的应力水平比试验应力水平低3%。此结果表明军机DFR方法略偏保守,与DFR方法计算结果偏保守的特征一致,也验证了军机DFR方法在TC4-DT钛合金电子束焊接件上应用的可行性。     

降载勾线法在高强钢疲劳断裂试验中的应用

制作高强钢特征试件,在压、弯应力共同作用下进行疲劳断裂试验;结合疲劳辉纹产生机理,采用降载勾线法在试件断面制造出“海滩状花纹”;利用CAD软件描绘断面形貌并测量裂纹长度,用Newman-Raju理论进一步研究表面裂纹扩展的规律,并与试验值比较.结果表明降载勾线法可以解决高强度钢表面裂纹不易测量及断面难以观测到疲劳辉纹的问题;采用Newman-Raju公式模拟压弯组合应力下表面裂纹扩展形貌是合适的,但由此计算的疲劳寿命偏于保守.另外,当压弯应力比值较小时,计算扩展形貌时压应力可以忽略,而计算疲劳寿命时压应力不可忽略.     

复合材料修补结构腐蚀扩展特性实验研究

为了研究腐蚀环境对复合材料修补结构疲劳特性的影响,开展以某型飞机加速环境谱为基础的预腐蚀试验,并采用递进式的试验方法分别完成对未修补未腐蚀、修补但未腐蚀、又修补又腐蚀的试样疲劳裂纹扩展试验。利用试验数据计算了复合材料修补构型、腐蚀环境对裂纹尖端应力强度因子影响的修正系数,并确定了通过试验验证的修补结构疲劳裂纹扩展修正模型。该模型预测腐蚀环境下修补结构的疲劳寿命与试验值一致。试验数据和预测模型可为海军飞机复合材料修补结构的损伤容限设计提供参考。     

金属结构材料腐蚀疲劳寿命预测模型的研究进展

腐蚀疲劳是工业装备的主要失效模式之一.随着新技术的不断发展,航空航天、轨道交通、海洋设施等重大装备向着高可靠性、长寿命及智能化方向发展,亟需准确、高效的腐蚀疲劳寿命预测方法.论文对金属材料的腐蚀疲劳损伤机理进行了简要总结并对寿命预测模型进行了系统归纳与评述,提出未来的研究趋势与方向.具体地,首先介绍了腐蚀坑的萌生和生长、裂纹萌生及扩展的机理;其次总结了预腐蚀疲劳的断裂力学及损伤力学寿命预测模型,再次归纳了腐蚀疲劳的断裂力学、损伤力学及数据驱动寿命预测模型;进一步地,综合概括了现有寿命预测模型的优点和不足;最后,基于当前的研究指出未来可能的发展方向,一方面可以借助三维成像技术实现蚀坑向裂纹转变阶段和短裂纹扩展阶段的可视化研究,以改进现有的断裂力学模型;另一方面可以建立新型的多尺度多阶段寿命预测模型或利用新兴的数据驱动-物理融合方法实现腐蚀疲劳寿命预测.     

列车车轮滚动接触疲劳裂纹评价研究

列车车轮踏面表层金属滚动接触疲劳是影响列车运行安全性和舒适性的核心科学问题. 借助金相显微镜、扫描电镜、透射电镜和显微硬度计，通过开展列车车轮材料的标准滚动接触疲劳试验，将标准接触疲劳样品的损伤行为与实际服役车轮的损伤行为对比分析，研究了列车车轮的滚动接触疲劳裂纹评价方法. 结果表明:车轮表层金属接触疲劳开裂是表层金属累积塑性变形损伤的结果；标准滚动接触疲劳样品剥离坑的深度恰好等于硬化层的深度，实际服役车轮剥离坑的深度小于硬化层的深度；将车轮表面的滚动接触疲劳裂纹命名为“三角形指向性裂纹”；初步建立了车轮表面滚动接触疲劳损伤程度的定量评价方法.      

Fatigue crack growth retardation assessment of 2024-T3 and 6061-T6 aluminium specimens

A fatigue crack growth retardation model is developed. It considers a strip plastic zone with material hardening effect which is taken as one of the basic mechanisms controlling fatigue crack growth. Crack growth is treated incrementally and corresponds to the failure of material elements ahead of an existing crack after a certain critical number of low cycle fatigue. Computed curves are correlated to test data obtained from the 2024-T3 and 6061-T6 aluminium specimens. Deviations from test data increase with increasing crack length.     

点蚀演化及腐蚀疲劳裂纹成核的能量原理

作为一种不可逆的热力学过程,腐蚀疲劳的点蚀演化受到体系应变能、表面能和电化学能的共同影响。基于能量学原理,对腐蚀疲劳点蚀演化过程中的能量问题进行探索性研究。引入双变量半椭球模型描述点蚀的演化过程,推导了点蚀形状参数在演化过程中的变化方程。基于应力强度因子准则建立点蚀向疲劳裂纹转化的临界条件,同时分析应力振幅对腐蚀疲劳裂纹成核寿命的影响。     

Modelling of crack growth under cyclic contact loading

The paper describes a general computational model for modelling of subsurface fatigue crack growth under cyclic contact loading of mechanical elements. The model assumes that the initial fatigue crack develops along the slip line in a single crystal grain at the point of the maximum equivalent stress. The position and magnitude of the maximum equivalent stress are determined with the Finite Element Analysis of the equivalent contact model, which is based on the Hertzian contact conditions with the addition of frictional forces. The Virtual Crack Extension method is then used for simulation of the fatigue crack propagation from the initial to the critical crack length, when the surface material layer breaks away and a pit appears on the surface. The pit shapes and relationships between the stress intensity factor and the crack length are determined for various combinations of contacting surface curvatures and contact loadings. The computational results show that the model reliably simulates the subsurface fatigue crack growth under contact loading and can be used for computational predictions of surface pitting for various contacting mechanical elements.     

铝合金蚀坑损伤参量评述

将蚀坑损伤参量分成4 类:尺寸、形状、统计和试验参数,回顾了蚀坑深度、投影面积、长宽比、矩形比、表面腐蚀率、分形维数、预腐蚀系数等影响剩余寿命的主要损伤参量,总结了蚀坑等效成初始裂纹的方法.     

高强度钢的超高周疲劳裂纹扩展模型研究

当疲劳寿命在106或107周时,Wöhler S-N 曲线被看作渐近于水平轴,107的疲劳强度被看成是疲劳极限。现代应用要求延长零件的工作寿命,实际齿轮部件应用超过107循环的疲劳失效。本文应用压电超声疲劳试验机对经过热处理和渗碳处理后的低铬合金钢材料进行研究,采用红外摄像仪观测试件表面的温度场随疲劳裂纹萌生和扩展的过程。试验条件是室温,应力比为0.1（R=0.1）,频率为20KHz。通过对表面渗碳处理后试件的断口分析,探讨表面渗碳处理、微观结构和与杂质有关的断裂机理,根据Paris公式建立超高周疲劳裂纹扩展模型。对裂纹扩展过程中裂纹尖端的塑性区的分析结果,结合传热学原理,建立热耗散模型,有限元方法的数值解结果较好地符合红外摄像仪的观测的试验结果。     

随机超载对疲劳裂纹扩展迟滞效应的模拟

考虑超载的迟滞效应,对随机超载作用下的疲劳裂纹扩展进行了模拟计算．载荷谱为在基本恒幅循环载荷基础上加入一以泊松流发生的随机超载序列,超载的大小为均匀分布．采用裂纹闭合模型考虑超载的迟滞效应,认为裂纹张开应力在超载引起的塑性区内按线性规律衰减．循环续循环模拟计算出裂纹从初始长度一直到疲劳破坏的扩展曲线．据此,计算了各种超载发生强度和大小下的疲劳裂纹扩展寿命的平均值与标准差。     

缺口件疲劳寿命分布预测的有效应力法

本文提出了一种由光滑件疲劳寿命试验数据预测缺口件疲劳寿命分布的有效应力法。该方法中缺口件的裂纹可能萌生表面被分解成一个个微元,整个表面可看成是这些微元组成的一个串联模型,按照串联概率失效模型,缺口件的疲劳强度失效概率就可以由各微元的疲劳强度失效概率计算得到,其中微元的疲劳强度失效概率是由光滑件的疲劳强度失效概率通过最弱环节理论计算得到的。在缺口件的疲劳强度失效概率表达式中,引入了有效应力的概念,用它查取光滑件的疲劳寿命试验数据就可以直接得到缺口件的疲劳寿命分布。该方法可以同时考虑到应力梯度和试件尺寸对缺口件疲劳寿命分布的影响。进行了材料LY12CZ的带中心孔缺口件的寿命算例分析,预测结果和试验结果吻合良好,表明该方法是有效的。     

交变载荷下含两孔洞的铝合金长条的五种疲劳破坏型式

通过试验发现交变载荷下含两孔洞的铝合金长条,由于两孔洞的方位不同,至少有五种疲劳裂纹引起的破坏型式.在五种不同的破坏情况下,疲劳裂纹初始寿命和疲劳裂纹扩展寿命均不同,必须分阶段评估,这也直接影响到整体疲劳寿命的预计;此时常规的、经典的疲劳裂纹扩展理论难以直接应用.