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.     

旋转防喷器壳体疲劳裂纹扩展研究

受井内高压和岩屑颗粒反复碰撞,旋转防喷器壳体会出现裂纹,裂纹的进一步扩展会导致壳体发生破裂。本研究基于Paris公式研究旋转防喷器壳体的疲劳裂纹扩展寿命,通过疲劳裂纹扩展试验确定Paris公式的材料常数,通过有限元模拟对CT试样进行疲劳裂纹扩展研究,分析初始裂纹尺寸、载荷大小的影响。结果显示：实验结果与有限元仿真结果能较好吻合;随着初始裂纹尺寸的增加,裂纹前缘应力强度因子逐渐增大,初始裂纹开始扩展,深度亦会随应力幅和应力比的增大而增大,而裂纹扩展寿命随着裂纹长度和载荷增大而减小,随着应力比的增大而增大。该研究为旋转防喷器安全使用提供一定的理论依据和研究方法。     

基于粒子滤波的疲劳裂纹扩展和剩余寿命预测实验研究

本文对应用粒子滤波在线预测疲劳裂纹扩展和剩余寿命进行了实验研究。根据ASTM标准制作了紧凑拉伸(CT)试件,结合MTS疲劳测试系统进行了Q235钢的疲劳裂纹扩展实验。通过将传统的Paris模型嵌入到贝叶斯状态估计的框架中,采用粒子滤波方法,结合裂纹张开位移(COD)引伸计不断获得的裂纹监测信息,在线预测未来时刻疲劳裂纹扩展情况并更新剩余寿命。实验结果验证了粒子滤波对疲劳裂纹扩展和剩余寿命在线预测的可行性和有效性,表明粒子滤波不仅能进行在线预测,还能给出预测结果的置信区间;随着监测信息的增多,剩余寿命预测结果的不确定性逐渐减小。     

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.     

残余应力对含裂纹缺陷管道疲劳寿命的影响

针对焊缝区含表面轴向裂纹管道的疲劳寿命问题,探究管道在内压波动下裂纹扩展的规律。建立了焊缝区裂纹仿真模型。采用ABAQUS有限元软件的多层生死单元技术计算了长输管道X80钢的残余应力场。将焊接残余应力场作为裂纹扩展分析的初始应力场导入裂纹仿真模型,结合该软件的扩展有限元法(XFEM)和二次开发计算了在焊接残余应力下裂纹扩展的规律。结果表明:由于焊接残余应力的影响,热影响区含裂纹缺陷的X80管道疲劳寿命明显降低,降低幅度约达40%;裂纹长度对管道的疲劳寿命影响不显著,裂纹深度对其有一定影响,而应力比影响最大,且应力比R=0.1最为显著。     

复杂机车振动环境下牵引电机轴承服役寿命评估

牵引电机是铁路机车的动力源, 其关键零部件(支承轴承等)的服役性能直接影响机车传动系统的稳定性和可靠性. 对于重载机车, 传统轴承服役寿命评估方法主要基于定载荷工况, 难以准确评估轨道不平顺等复杂外部激励作用下电机轴承的服役寿命. 因此, 本文根据车辆-轨道耦合动力学理论, 考虑轨道车辆运行过程中的轮轨相互作用和齿轮啮合作用, 建立了具有牵引动力传动系统的机车-轨道耦合动力学模型; 采用线性损伤累积准则和ISO 281标准计算方法, 评估了复杂机车振动环境下牵引电机轴承的服役寿命. 结果表明, 在轨道随机不平顺激励下, 机车轮轨垂向力、齿轮啮合力、牵引电机内部转子离心力、不平衡磁拉力等明显增大; 在复杂机车振动环境中, 电机轴承内部滚子-滚道相互作用加剧, 传动端与非传动端轴承的疲劳寿命缩短; 随着线路状态的不断恶化和机车运行速度的提高, 牵引电机轴承的预测寿命里程不断减小; 由于传动端轴承承受较大的外部动态载荷, 传动端轴承的服役寿命明显低于非传动端轴承. 本文提出的评估方法可为机车牵引电机轴承的设计、选型和寿命评估提供理论指导.      

天然气输气管道的疲劳裂纹扩展行为的研究

本文通过对天然气输气工程中焊接螺旋管空气介质及天然气介质中裂纹扩展行为的研究，揭示了螺旋管疲劳裂纹扩展的规律，从而为天然气管道剩余寿命估算奠定基础．     

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.     

一种经验型疲劳小裂纹扩展模型

金属材料疲劳寿命由裂纹萌生和裂纹扩展寿命两部分组成,其中对于萌生寿命中的小裂纹分析是精确描述裂纹萌生寿命的关键．而小裂纹在扩展过程中由于尺寸相对较小,导致传统线弹性断裂力学预测方法失效,需要对其进行改进,考虑裂纹尖端塑性区引起的残余压应力对小裂纹扩展速度的影响．本文针对此问题进行了初步分析,通过对塑性区引起的残余应力的量化,结合小裂纹门槛值特性,提出了一种经验型修正的小裂纹扩展模型,用于定量预测裂纹的萌生寿命．使用铝合金6082-T6缺口试样进行了疲劳实验,并与理论结果进行了对比,验证了所提模型的有效性．     

Ti-6Al-4V在模拟体液中的超高周疲劳裂纹萌生与扩展

采用超声疲劳方法,开展了医用Ti-6Al-4V在实验室大气和模拟体液两种环境条件下105~109周次范围内的疲劳实验,研究了Ti-6Al-4V的疲劳裂纹萌生与初始扩展行为。实验结果表明:与实验室大气相比,在模拟体液环境下,Ti-6Al-4V的疲劳强度降低了约200MPa。主要原因是疲劳裂纹扩展门槛值减小,促进了疲劳裂纹的萌生和扩展。在两种环境下都发现:高应力短寿命条件下,疲劳裂纹萌生源于微区破碎;而在低应力长寿命条件下,疲劳裂纹萌生源于微区开裂。理论分析表明,粒状亮面(Granular Bright Face,GBF)区的形成与裂纹尖端塑性区和Ti-6Al-4V晶粒尺寸大小有关。     

考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测研究

微动疲劳是矿井提升钢丝绳主要失效形式之一,在钢丝微动疲劳过程中,微动磨损严重影响钢丝微动疲劳裂纹扩展特性,进而制约钢丝微动疲劳断裂机制,故开展考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测研究至关重要. 运用自制钢丝微动疲劳试验机开展钢丝微动疲劳试验和拉伸断裂试验,通过高速度数码显微系统揭示微动疲劳过程中钢丝微动磨损演化、裂纹萌生和扩展及断裂特性,基于摩擦学和断裂力学理论,运用有限元法、循环迭代法和虚拟裂纹闭合技术建立了考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测模型,并进行试验验证. 结果表明:采用微动疲劳过程稳定阶段磨损系数预测钢丝微动磨损演化可保证预测正确性,微动疲劳过程中钢丝主要为I型裂纹扩展模式,考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测值和试验值吻合较好,验证了预测模型正确性.      

New model of propagation rates of long crack due to structure fatigue

By comparison of the characteristics of existing models for long fatigue crack propagation rates, a new model, called the generalized passivation-lancet model for long fatigue crack propagation rates （GPLFCPR）, and a general formula for characterizing the process of crack growth rates are proposed based on the passivation-lancet theory. The GPLFCPR model overcomes disadvantages of the existing models and can describe the rules of the entire fatigue crack growth process from the cracking threshold to the critical fracturing point effectively with explicit physical meaning. It also reflects the influence of material characteristics, such as strength parameters, fracture parameters and heat treatment. Experimental results obtained by testing LZ50 steel, AlZnMgCu0.5, 0.5Cr0.5Mo0.25V steel, etc., show good consistency with the new model. The GPLFCPR model is valuable in theoretical research and practical applications.     

自增强厚壁圆筒疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析

本文提供了自增强厚壁圆筒疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析的方法和公式,自增强残余应力用符合厚壁筒用钢具有强化和包辛格效应实际性能推得的公式进行计算,残余应力对应的应力强度因子的计算采用了有限元法,得到了工作内压与自增强残余应力共同作用下的厚壁筒应力强度因子公式,通过实验测定了厚壁筒用钢的断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率等性能。     

含缺口试件疲劳全寿命预测一种建议的方法

传统的研究含缺口构件的疲劳的方法是将疲劳启裂和疲劳裂纹扩展两个过程完全独立起来,用不同的方法来模拟,相互间并没有定量的关系。本文是基于最新发展的多轴疲劳损伤理论,建立了一种适用于各种载荷条件下的疲劳启裂和裂纹扩展的普适方法。根据从弹塑性分析中得到的应力应变,确定疲劳损伤模型,建立能够预测疲劳启裂、裂纹扩展速率和扩展方向的新方法。整个模拟可以分为两步:弹-塑性应力分析得到材料的应力应变分布;再运用一个通用的疲劳准则预测疲劳裂纹启裂和裂纹扩展。通过对1070号钢含缺口试件的疲劳全寿命预测,得到了与实验非常吻合的模拟结果。     

Three-dimensional transverse fatigue crack growth in rail head

Results are given in terms of crack growth area and tonnage of train load. A three-dimensional finite element procedure is developed for analyzing multiple-mode transverse fatigue crack growth in a rail section. Stress and failure analysis are performed for each increment of non-self-similar crack growth up to the point of global instability that is assumed to be governed by the fracture toughness of the rail steel. The strain energy density criterion is adopted to predict the crack profiles developed from a two-stage fatigue loading cycle where both Mode I and III crack extension are present. Use is made of the material data obtained from the past and present TSC programs for predicting the remaining life of a 132 lb/ft rail head with an initial transverse circular crack of 0.50 in. in diameter. The number of cycles to failure are estimated for four different vertical load and initial crack positions.     

考虑T-stress的非正态随机参数疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析

基于断裂力学的疲劳裂纹扩展寿命问题的研究常常将裂纹尖端应力展开项的高次项忽略,引起了裂纹扩展模拟的误差,本文考虑高次项T-stress对裂纹扩展角的影响,对裂纹扩展过程做了数值模拟,结果显示相同裂纹扩展长度下,考虑T-stress会延长裂纹扩展寿命。文章首先采用修正的Paris-Erdogan 公式计算了两端承受均布拉伸载荷的边缘斜裂纹板的疲劳裂纹扩展寿命,裂纹扩展方向采用两参数修正的最大拉应力准则。由于结构尺寸,材料特性和载荷等因素具有不确定性,导致疲劳裂纹扩展过程带有一定的随机性,本文以材料属性和载荷为随机变量,在随机有限元法的基础上,结合计算可靠度的四阶矩法,Edgeworth级数展开方法,提出随机参数服从任意分布时的结构疲劳裂纹扩展寿命可靠度的计算方法。分析了参数为非正态分布时的平板裂纹扩展寿命可靠度随裂纹扩展的变化过程。本文方法可预测工程中板裂纹的扩展行为,以及预测裂纹板的可靠度。     

高铁锻钢制动盘热疲劳裂纹扩展仿真及寿命评价

巨大的制动热能导致高铁制动盘面出现热斑或热点,形成沿径向扩展的热疲劳裂纹,严重危及行车安全.通过仿真获得热疲劳裂纹扩展规律,据此制定出合适、经济的检测周期,具有重要意义.基于断裂力学理论,采用扩展有限单元法和自主研发的裂尖网格加密技术,得到热点形成规律,植入半椭圆形裂纹进行热疲劳断裂仿真,得到制动速度为400 km/h...     

带边缘斜裂纹橡胶板的裂纹扩展研究

应用断裂力学的方法分析了带有初始斜裂纹的二维橡胶板在简单拉伸下的裂纹扩展特性.应用ABAQUS有限元软件建立了二维橡胶板的有限元模型,计算出倾角为0°,15°,30°,45°和60°的边缘斜裂纹橡胶板拉伸试件沿不同方向的J积分,得出橡胶板的裂纹扩展方向.通过有限元分析得出橡胶板并非沿着初始裂纹方向扩展而是与初始裂纹方向呈一夹角,且随着裂纹倾角的增大裂纹扩展方向和初始裂纹方向的夹角逐渐减小.     

自紧身管疲劳寿命的可靠性分析

基于概率断裂力学理论和Monte Carlo模拟方法，给出了自紧身管疲劳寿命的可靠性分析方法．自紧残余应力采用了符合身管材料具有强化和包辛格效应性能推导的公式计算，身管工作的应力强度因子通过权函数方法得到．实例分析结果表明，对数正态分布为身管疲劳寿命的最佳分布，同时给出了各种置信度和可靠度下的身管疲劳寿命．另外，还分析了初始裂纹尺寸和材料的断裂韧性对身管疲劳寿命的影响．该研究对保证身管的安全，避免灾难性事故的发生具有重要意义．     

A new model for fatigue crack propagation in 4340 steel

An investigation on fatigue crack propagation under mode I loading has been performed. Fatigue crack growth data in the case of plane strain mode I have been obtained by performing experiments on compact tension specimens of 4340 steel for increasing ΔK_I, decreasing ΔK_I, and constant ΔK_I loading conditions. Fatigue crack extension predictions have been obtained for Khan's proposed equation [1989], together with the widely used and [1963] and [1967] equations. Khan's equation overcomes the drawbacks associated with the Paris and Forman equations, such as the inclusion of all the three stages of fatigue crack propagation, the nondimensionality of the constant, “C”, and also the accuracy in life prediction. Within the context of Linear Elastic Fracture Mechanics and the types of loading performed at the crack tip, it has been shown that Khan's model can accurately predict the crack growth data from near threshold value to the unstable fracture; these predicted values are much more accurate than those from the Paris and Forman equations.