金属材料疲劳行为的应力场强法描述

基于近年来发展的应力场地对金属材料的多种疲劳行为作了系统的描述，给出了缺口疲劳系Ｋｆ，疲劳尺寸系数ε，疲劳加载方式因子ＣＬ，多轴疲劳极限方程，缺口件Ｓ－Ｎ曲线的预测等多方面的定量描述，并引用了大量的实验数据加以验证，由此表明应场强法是一种很好的抗疲劳设计方法。     

推导材料不同$K_t $中值疲劳曲线的损伤力学方法

从损伤力学出发,得到材料的中值疲劳曲线表达式．通过分析,得到了影响材料S-N曲线的材质参数及其相互关系．通过升降法和成组法试验,获得K_t=1．0时对应材料的中值疲劳曲线,即材质参数．在此基础上,只需通过升降法得到任意应力集中系数K_t下的疲劳极限,即可得到该应力集中下对应的中值疲劳曲线．     

Evaluation of Methodologies to Accelerate Corrosion Assisted Fatigue Experiments

The corrosive nature of a marine environment is an important factor to be considered during the fatigue design of offshore structures. Thereto S-N curves must be determined in close to real conditions which is highly time consuming. It is hypothesized that if the corrosion process is accelerated at approximately the same rate as the fatigue frequency, testing time could be highly reduced. Corrosion acceleration is possible by modifying physical and/or electrochemical properties involved in the redox reactions. In this work the first option was chosen. Based on a literature review temperature and dissolved oxygen level were concluded to be the most influencing parameters. Several test scenarios with different combinations of sea water temperature and dissolved oxygen level have been defined. Corresponding S-N curves have been constructed for HSLA steel (type DNV F460) specimens immersed in natural seawater. The direct current potential drop technique was used to quantify damage evolution for all tested scenarios. Additionally, a reference S-N curve for immersed behaviour was determined at a temperature and frequency close to North Sea conditions. Comparison of the experimental results indicates that an average acceleration of the corrosion assisted fatigue damage process of around 80 % could be obtained.     

多轴随机载荷下的疲劳寿命估算方法

现代工业的发展使得更多的构件承受着复杂的载荷形式, 将单轴疲劳模型应用到多轴载荷情况已不能满足现代工业的设计要求, 多轴随机载荷下的疲劳寿命计算日益引起人们的重视. 多轴随机载荷的寿命预测中, 如何计算载荷循环次数是其基础,目前广泛使用的是雨流计数方法, 现在已能成功的应用于多轴载荷的情况. 累积的疲劳损伤分析在各种构件和结构的载荷历史中都起着重要的作用. 自从线性损伤律提出以来已发展了数十种损伤律, 变幅载荷引起的疲劳损伤可以由许多不同的累积损伤律来计算, 虽然发展了许多损伤模型, 由于问题的复杂性, 每个模型的应用范围也是随具体情况而定. 线性损伤律方法尽管有很多不足之处, 但在设计使用中仍占有重要的位置. 两载荷水平及模式下的损伤累积以及损伤与物理机制的关系在本文中也做了介绍. 针对近年来提出的描述多轴随机载荷下疲劳寿命估算方法进行了详细的评述, 对各模型的应用范围和预测能力进行了讨论, 并对今后的工作提出了建议.      

一种FRP累积损伤模型及其在结构疲劳寿命估算中的应用

推荐了一种应变损伤累积模型，能够考虑单向板面内多轴应力和平均应力的影响。只需要单向板在确定应力比下的若干典型疲劳试验结果，就可以预测相同材料体系多向层压结构在不同应力比的循环载荷下的疲劳寿命，有助于降低试验成本和工作量。研究了适用于多向层压结构剩余强度估算和疲劳寿命预测的步骤和程序。针对碳纤维／树脂基T300／QY8911复合材料，试验测定了三组典型单轴循环应力（[0]16拉－拉、[90]16拉－拉和[0/90]4S剪－剪）下的S－N曲线。以此为输入，预测四种多向铺层板在各种拉－拉循环应力下的疲劳寿命，寿命预测结果和相应的试验结果吻合良好。采用了保持计算和试验的载荷／强度比相对等值的方法来近似抵消层合效应对疲劳寿命的影响。强调了进一步发展能够定量估计层间应力影响与分层扩展过程的疲劳损伤模型的重要性。     

透平转子的可靠性设计

介绍透平转子的可靠性设计方法。该方法以传统的转子强度和振动的设计方法为基础,把透平转子的静应力、材料静强度、应力幅、尺寸系数、表面加工系数、应力集中系数、材料疲劳极限、热疲劳累积损伤程度、材料低周疲劳程度、蠕变寿命、固有频率、激振力频率、不平衡响应等处理为随机变量,使用机械概率设计法确定转子设计的可靠度。文中给出了透平转子静强度、疲劳强度、热疲劳、蠕变寿命、避开弯曲共振、避开扭转共振和限制不平稳响     

窄带和宽带随机载荷下的疲劳寿命估算

本文综述海洋平台导管架关键部位在窄带和宽带随机载荷下的疲劳寿命估算方法.通过算例对多种疲劳寿命估算方法作了比较.     

On the Application of Infrared Thermography and Potential Drop for the Accelerated Determination of an S-N Curve

The endurance approach has been used for fatigue design and assessment since many decades. In recent years, the use of infrared (IR) technology to assess fatigue damage has been gaining more interest. The infrared thermographic method reported in literature allows to define an entire S-N curve with a limited number of specimens. Inspired by that approach, a methodology based on the direct current potential drop (DCPD) technique is developed. It allows to determine an S-N curve in a quick manner and might potentially be used in application areas where IR is not feasible. The developed DCPD methodology and the established IR methodology have been applied to two high strength offshore steels. The so-obtained S-N curves show a very good correlation.     

各向异性损伤力学在螺纹疲劳寿命预估中的应用

引用损伤力学方法研究金属构件疲劳问题。在微结构力学模型基础上建立轴对称的各向异性疲劳损伤本构关系,通过有限元-附加力解法编制考虑各向异性损伤的有限元程序。应用引入门槛条件的损伤演化方程,并以损伤划分步长预估了构件疲劳裂纹形成与扩展寿命。用这一方法预估30CrMnSiNi2Aφ5和φ8螺栓全寿命。结果表明,理论S-N曲线与试验S-N曲线吻合良好并且门槛条件对修正低应力下疲劳寿命有很好的效果。本方法所需机时较少,可用于工程实际构件的高周疲劳寿命预估及抗疲劳优化设计。     

飞机典型结构件的声疲劳实验研究

飞机典型结构件为蒙皮、框和长桁组成的双向双加筋的九格壁板结构.利用高声强行波管系统,以典型试件中心格的第一阶频率为中心、1/3倍频程为带宽的窄带随机谱激励,再现壁板结构的声疲劳破坏方式.通过原始状态的典型试件的两次预试验,发现了原典型结构件的设计缺陷.采用三种方式对原结构框的两端进行了支持加强,得到各种支持状态下的声疲劳破坏形式.     

TC4钛合金超高周次轴向振动疲劳试验

应用基于压电超声疲劳试验技术开发的20kHz轴向振动疲劳试验系统,完成了室温下TC4钛合金超高周疲劳试验,获得了TC4合金在107～109周次范围内的轴向振动疲劳寿命曲线(S-N曲线);运用C.Paris推导公式预测了TC4合金材料的寿命,得到各应力水平下破坏率为50％、95％、99％的安全寿命.结果表明:在疲劳循环大于107周次时,试件仍会发生疲劳断裂,疲劳强度随循环次数的增加而下降,并不存在明显的疲劳极限.TC4合金的S-N曲线在107～109周次的范围内呈连续下降型.在轴向振动超高周疲劳试验中,试件的裂纹扩展寿命只占其在50％破坏率下疲劳安全寿命的一小部分,其疲劳寿命主要由试件的裂纹萌生寿命决定.     

桅杆风致破坏机理研究

桅杆风致破坏的情况屡见不鲜。桅杆的非线性是相当复杂的,它是由拉索的几何非线性和拉索的张力产生的,拉索的张力又依赖于拉索的几何位置。研究指出由于在经常性风荷载作用下,桅杆产生空间混沌振动,并由此产生疲劳破坏的结果,但这些研究仅限于确定性情况。本文中将研究扩展到随机问题,数值计算结果表明该系统存在随机混沌现象,其响应平均值与平均应力指出混沌性质。为了进一步研究桅杆破坏机理,因此在本文中,既考虑突发性故障问题,又考虑随机疲劳寿命问题,并给出时间与应力极值概率。     

The fatigue of aluminum alloys subjected to random loading

This paper describes an expeirmental investigation which was carried out to determine the fatigue life of two aluminum alloys (2024-T3 and 6061-T6). They were subjected to both constant-strain-amplitude sinusoidal and narrow-band random-strain-amplitude fatigue loadings. The fatigue-life values obtained from the narrow-band random testing were compared with theoretical predictions based on Miner's linear accumulation of damage hypothesis. Cantilever-beam-test specimens fabricated from the aluminum alloys were subjected to either a constant-strain-amplitude sinusoidal or a narrow-band random base excitation by means of an electromagnetic vibrations exciter. It was found that the ε-N curves for both alloys could be approximated by three straight-line segments in the low-, intermediate- and high-cycle fatigue-life ranges. Miner's hypothesis was used to predict the narrow-band random fatigue lives of materials with this type of ε-N behavior. These fatigue-life predictions were found to consistently overestimate the acutal fatigue lives by a factor of 2 or 3. However, the shape of the predicted fatigue-life curves and the high-cycle fatigue behavior of both materials were found to be in good agreement with the experimental results.     

FGHxx粉末高温合金疲劳损伤行为表征、评价与展望

FGHxx系列结构材料是我国近年来成功开发的损伤容限型粉末高温合金,由FGH95到FGH99系列,主要是通过材料的化学成分、制粉工艺及后续的热处理工艺参数等优化措施,达到提高在役温度下的强度、韧性性能,改善疲劳裂纹扩展阻力等目的。相比于材料工艺力学的现有研究成果,该系列材料在固体力学相关的疲劳损伤表征、寿命评价、微结构对疲劳裂纹萌生行为的研究存在显著滞后,尤其在损伤容限相关的关键科学问题以及工程关注的安全评估手段等有待深入探究。本文基于作者们对现有的FGHxx系列粉末高温合金疲劳损伤研究现状和关键科学问题的掌握和理解以及对应的部分实验研究结果,从材料微结构特征、疲劳数据分散特点、宏微观疲劳裂纹扩展行为、SEM原位测试、疲劳寿命预测模型、疲劳损伤安全区（三维K-T关系图）的建立等进行了评述和展望。     

海洋平台K型管节点的疲劳裂纹扩展分析Ⅰ:试验测试

对承受疲劳载荷的海洋平台K型管节点首先进行了静力测试,确定了沿着焊缝的热应力区的应力分布及热应力区最大应力点的位置,从而判断裂纹产生的位置;然后通过专用测试设备提供循环疲劳载荷,用ACPD(Alternating Current Potential Drop,即交流电流势能落差法)技术检测裂纹的产生和增长过程,得到裂纹最深点,用S-N曲线估算其疲劳寿命。对已有裂纹的K型管节点,用应力强度因子估计其剩余寿命。同时用测试的结果验证了S-N的准确性和可靠性。     

冰激结构频率锁定振动的发生机理及简单分析方法

冰激结构频率锁定振动是冰区海洋工程结构的危险工况.对频率锁定振动过程的传统机理解释没有体现这一过程的全部物理特征,导致现有的分析方法无法准确分析这一问题.本文基于对现场测量结果的分析,提出了一种海冰韧性损伤-破碎过程与结构振动耦合导致频率锁定振动的机理.该机理认为,海冰在直立结构频率锁定振动过程中发生韧性损伤-破碎行为,海冰的韧性损伤-破碎与结构运动相位耦合,导致了频率锁定振动. 海冰对结构作用产生的载荷为锯齿形,作用过程可以分为加载和卸载两个阶段,其中加载阶段时间长度约为卸载阶段3倍以上.在加载阶段,结构从平衡位置先与海冰运动方向相反振动到反向最大振幅位置后回摆,然后与海冰同向运动到正向最大振幅位置,这段过程中海冰与结构接触部位内部产生裂纹并扩展但未发生主要的破碎,在此阶段海冰发生韧性损伤;在卸载阶段,结构从最大振幅位置向平衡位置回摆,结构与海冰运动方向相反,这一过程中应变速率的突然增大导致裂纹加速扩展并失稳开裂,此时带有韧性损伤的海冰发生破碎.基于这一新的机理解释,本文提出了一种冰激结构频率锁定振动幅值的简单分析方法.该方法认为海冰破碎长度是频率锁定振动的关键参数. 理想状态下,海冰破碎长度约为结构水线处振动幅值的2.2倍.当冰速接近海冰破碎长度与结构自振周期的比值时,结构会发生频率锁定振动.该方法对评估海洋工程结构频率锁定振动的发生概率及疲劳损伤具有指导意义.      

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。     

谐振载荷作用下工程结构振动疲劳寿命预估的损伤力学-有限元法

建立了预估谐振载荷作用下结构振动疲劳寿命的损伤力学-有限元方法。首先根据损伤热力学原理,构建了损伤演化方程,建立光滑试件在恒幅应变交变载荷作用下寿命预估方法;进一步由损伤力学守恒积分原理,得到恒幅重复载荷作用下应力与寿命的关系式;然后根据标准件疲劳试验结果,拟合得到损伤演化方程中的材质参数;最后利用APDL语言编程对ANSYS软件进行了二次开发,借助ANSYS软件对谐振载荷作用下结构振动疲劳裂纹萌生寿命进行预估。作为算例,本文利用该方法预估了LC9CgS1铝合金梁谐振载荷作用下疲劳裂纹萌生寿命。     

非高斯随机激励下工程结构可靠性估计的一种方法

本文将工程结构考虑为振动系统,把随机载荷及在结构上的载荷效应作为随机过程,分析状态函数的高阶矩,进行最大熵概率分析,得到结构在随机载荷作用下失效的概率。此法为随机环境下工作的结构、构件或设备的安全设计、可靠性检验提供了一个可行的方法。     

Fatigue criteria for integrity assessment of long-span steel bridge with health monitoring

A structural health assessment (SHA) methodology is developed using data acquired from structural health monitoring (SHM) system installed on long-span bridges. A set of fatigue criteria has been proposed for pre-determining the global state of the bridge structure failure due to fatigue. This involves finding the threshold of fatigue initiation, below which the rate of fatigue damage may be undetectable under current technology or it is economically unfeasible. The state-of-art for large structures corresponds to the initiation of macro-cracks caused by the accumulation of damage generated by actual service loads for the case of bridges. In what follows, consideration is given to developing fatigue crack growth criterion based on the concept of the continuum damage mechanics (CDM). Fatigue accumulative is included in the model where a fatigue limit for multi-axial stress state is considered. The proposed criterion advocates the evolution of micro-crack growth up to the stage of macro-crack formulation. Considered are the loading histories that correspond to normal traffic loading for highways and railways, incidental or accident loadings such as those caused by typhoons and effective environmental loadings. The potential sites of damage are determined are discussed. The proposed criterion is applied to analyze the fatigue damage of the Tsing Ma Bridge with online strain history data acquired by the SHM system that is permanently installed in the bridge.