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。     

基于数据驱动的增材制造铝合金的疲劳寿命预测

增材制造金属材料的疲劳损伤及寿命预测问题是当前研究的热点.论文以增材制造AlSi10Mg为典型应用对象，采用数据驱动方法开展疲劳寿命预测，考虑到其疲劳试验数据有限，采用经过试验验证的可靠的理论模型和数值计算方法来获取足够的疲劳数据，以弥补试验数据的不足.首先，提出了基于缺陷特征参数的疲劳损伤模型，其次，建立了理论模型的数值实现方法，并将数值计算结果与试验结果进行对比，验证了所提方法的可靠性.然后，开展数据驱动模型的训练与预测，采用K最近邻的数据驱动算法预测了增材制造AlSi10Mg的疲劳寿命，最后，深入分析了疲劳寿命随增材制造内部缺陷、疲劳载荷的变化规律，研究了数据驱动模型的训练数据量及模型参数对预测精度的影响.     

缺口件多轴疲劳寿命预估新方法

局部应力应变法(LSSM)以危险点处的局部应力应变历程进行寿命评价，忽略了非比例附加强化及缺口附近应力梯度对疲劳损伤的影响.论文通过分析裂纹萌生面(临界面)上剪应力和正应力分布状态，提出一种计算缺口件多轴疲劳损伤影响区的数学计算方法，建立考虑法向正/剪应力梯度与非比例附加强化效应的寿命预估模型.首先，基于能量法和临界面理论，借助坐标变换原理将应变能密度最大的材料平面定义为临界面，建立确定裂纹萌生方向的计算方法.其次，以临界面上特定路径为积分方向，将缺口件三维问题转化为线性问题，简化计算过程.综合考虑峰值应力和等效应力场强对多轴疲劳寿命的贡献度，建立表征缺口件多轴疲劳损伤演化过程的损伤参量.最后，通过TC4合金和Q345钢多轴疲劳试验验证论文模型的可行性和精确度，并与LSSM法、FS模型、SWT模型进行对比分析.     

离心通风器结构分析

根据某发动机离心通风器6个故障件的破坏形貌测量分析结果及简化模型的光弹性试验和有限元计算结果，建立离心通风器壳体力学模型，并通过应力分析结果对结构进行疲劳分析、探讨失效原因．研究结果指出，由于壳体在油气混合环境中使用，其肋的转接台阶处具有高的应力集中、材料铸造表面粗糙；组织疏松等缺陷，肋的截面尺寸公差太大等多种因素造成零件的寿命降低，较多零件的失效．     

一个高周疲劳损伤演化修正模型

将连续损伤力学应用到疲劳问题中, 得到合理的疲劳损伤演化方程,被认为是预测疲劳寿命最有效的方法之一. 在研究Lemaitre最新疲劳损伤演化方程基础上, 根据试验数据提出了一个修正的高周疲劳损伤演化方程, 该方程可以考虑应力幅、平均应力等影响因素. 以2A12-T4铝合金为例, 得到了修正模型的材料常数. 将该修正模型以UMAT子程序形式嵌入ABAQUS主程序, 计算了两种构件14种不同受载情况下的疲劳寿命, 所得计算寿命与试验结果误差均值约15%, 说明修正的疲劳损伤演化方程可以很好地计算金属构件的高周疲劳寿命.      

基于修正的局部应力应变法估算连接件疲劳寿命

飞机机体结构疲劳裂纹的萌生与扩展几乎都发生在紧固件连接处,预测结构连接件的疲劳寿命具有重要意义.为了准确计算连接件疲劳寿命,提出了一种修正的局部应力应变法,该方法首先采用应力严重系数法和修正Neuber法分析连接件高应力区的应力、应变,然后利用Manson-Coffin方程计算疲劳寿命,此外考虑到在中、高周疲劳里表面加工和尺寸因素的影响是不能忽略的,对应变-寿命曲线的弹性段作了修正以使其同时适用于高、低周疲劳寿命的估算.以搭接件为算例进行疲劳寿命计算,并使用MTS Landmark试验机对搭接件进行疲劳试验.结果表明,采用此方法估算的连接件疲劳寿命与试验结果相比误差小于16％,证明了此方法的有效性.     

含氦泡辐照老化材料层裂损伤计算方法分析

辐照条件下，一些材料内部产生大量的氦泡等微缺陷，氦泡的大小和数密度随着辐照年限的增长而增长。氦泡分布特征的变化不仅影响材料本身的物理、力学性质，而且直接影响材料层裂损伤演化后期材料破坏颗粒度的分布特征。延性材料的层裂损伤演化过程一般包括孔洞的成核、增长和汇合，但因已有孔洞对新成核孔洞存在抑制作用，当初始孔洞数密度达到一定临界值时，材料内部没有新的孔洞成核，因此，层裂损伤的计算可以不考虑新孔洞成核的影响。本文中基于损伤早期演化的特征，给出了这一临界值的计算方法，并进一步探讨了含氦泡辐照老化钚材料层裂损伤的计算方法。同时，在完善孔洞增长(void growth, VG)层裂损伤模型中参数的确定方法的基础上，借助含氦泡常规铝材料的层裂实验结果，对此问题进行了定性的分析：在氦泡尺寸变化不大的情况下，当氦泡浓度低于临界氦泡浓度时，需要考虑初始氦泡以及新增孔洞的综合影响；反之，可以采用简单的层裂损伤模型，不需要计算孔洞成核，但由于增长孔洞之间的相互影响，损伤模型的初始损伤参数需要重新确定。     

渐开线直齿轮弹流润滑条件下的多轴疲劳寿命预估

本文中基于弹流润滑分析和次表面应力建立了渐开线直齿轮多轴疲劳寿命计算模型.相对于传统的单轴疲劳模型,考虑了齿轮固定点的应力历史和材料属性对疲劳寿命的影响,并可以得到齿轮在完整啮合过程中的寿命分布.首先建立齿轮的有限长弹流计算模型,得到齿轮啮合过程中的油膜压力和油膜厚度,再根据油膜压力计算出次表面的应力分布;通过分析齿轮计算区域随啮合过程移动的关系,得到固定点的应力历史,再根据基于应力历史的多轴疲劳寿命模型对齿轮的完整啮合过程进行寿命预估.计算分析了不同粗糙度幅值对轮齿各点寿命大小和分布的影响.研究表明:齿面粗糙度对疲劳寿命的影响显著,随着粗糙度幅值的增大,表层下最大应力向齿面移动,导致低疲劳寿命区向齿面发展且逐步扩展到整个单齿啮合区;而表面粗糙度降低到一定程度则对疲劳寿命的影响变得不明显.     

基于多轴疲劳准则的齿轮点蚀寿命预测

综合齿轮动力学和弹性流体动力润滑理论，建立基于临界平面法多轴疲劳寿命预测模型.首先根据齿轮啮合特性获取齿面接触的时变参数，采用平均滤波方法模拟齿面磨合后的粗糙状态，并将齿面粗糙形貌带入油膜厚度计算，并基于量纲化差分方法建立齿轮的热弹流动力润滑模型；随后，通过润滑界面压力和摩擦力的分布计算近表面应力状态，确定接触近表面任意平面的应力与应变幅；最终，采用临界平面方法计算Smith-Watson-Topper(SWT)参数和最易萌生裂纹的平面，最终确定齿轮疲劳点蚀寿命，并试验验证模型有效性.结果表明：粗糙表面造成压力、油膜厚度和温度等波动较大，最大应力集中分布在表面，疲劳点蚀的微裂纹首先在表面萌生；齿轮疲劳点蚀数值模型可有效预测不同润滑条件下的疲劳点蚀寿命.     

基于临界平面法的多轴疲劳寿命估算模型研究

基于临界平面法,分析了WB模型的缺陷,发现：WB模型中的法向应变变程不能很好的反映材料非比例循环加载下的附加强化现象,且模型中的经验常数是一个与寿命相关的参数,该参数不能简单的利用拉伸和扭转疲劳极限来确定。为克服WB模型的缺陷,提出了一个新的多轴疲劳损伤参量,引入了一个新的应力相关因子,建立了新的寿命估算模型。新的损伤参量不含经验常数,应力相关因子能够反映材料非比例循环加载下的附加强化现象,所建模型能够精确估算材料的多轴疲劳寿命,便于工程应用。     

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。     

Q235钢缺口试样拉压低循环疲劳的实验研究

以Q235钢制U型缺口板试样为研究对象,用有限元方法计算其缺口根部等效应变幅对应的试样标距段位移,以此控制试验机进行拉压循环疲劳试验。然后用局部应力应变法对试验测得的寿命结果进行分析。结果表明：无论用有限元还是修正Neuber公式计算缺口根部的应力应变,局部应力应变法的疲劳寿命评估只适用于缺口半径较大的试样;对缺口半径较小试样的估计寿命明显低于实测值,且有限元法比修正Neuber法更保守。进而又对试样缺口区域应变梯度的影响进行了探讨：参照有限元计算的应变梯度,利用Taylor模型估算了缺口根部的屈服应力和流动应力;在此基础上重新计算应变分布并估计试样的疲劳寿命,结果证实考虑应变梯度影响可改善缺口试样的疲劳寿命估计。     

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。     

New approach based on continuum damage mechanics with simple parameter identification to fretting fatigue life prediction

A new continuum damage mechanics model for fretting fatigue life prediction is established. In this model, the damage evolution rate is described by two kinds of quantities. One is associated with the cyclic stress characteristics obtained by the finite element(FE) analysis, and the other is associated with the material fatigue property identified from the fatigue test data of standard specimens. The wear is modeled by the energy wear law to simulate the contact geometry evolution. A two-dimensional(2D) plane strain FE implementation of the damage mechanics model and the energy wear model is presented in the platform of ABAQUS to simulate the evolutions of the fatigue damage and the wear scar. The effect of the specimen thickness is also investigated. The predicted results of the crack initiation site and the fretting fatigue life agree well with available experimental data. Comparisons are made with the critical plane SmithWatson-Topper(SWT) method.     

A NEW DAMAGE MECHANICS BASED APPROACH TO FATIGUE LIFE PREDICTION AND ITS ENGINEERING APPLICATION

An approach based on continuum damage mechanics to fatigue life prediction for structures is proposed. A new fatigue damage evolution equation is developed, in which the parameters are obtained in a simple way with reference to the experimental results of fatigue tests on standard specimens. With the utilization of APDL language on the ANSYS platform, a finite element implementation is presented to perform coupling operation on damage evolution of material and stress redistribution. The fatigue lives of some notched specimens and a Pitch-change-link are predicted by using the above approach. The calculated results are validated with experimental data.     

大环径比O形金属橡胶密封件的疲劳力学特性及试验研究

金属橡胶内部线匝之间相互咬合钩联,形成非常复杂的空间网状结构,是一种累积损伤的材料,而金属橡胶密封件除了内部线匝还有外包覆,因此常规金属疲劳理论无法适用. 以O形金属橡胶密封件作为研究对象,搭建疲劳损伤试验,选取耗能ΔW,损耗因子η和损伤因子D作为疲劳损坏评判指标,开展大环径比O形金属橡胶密封件疲劳寿命性能研究和疲劳寿命试验,采用控制变量法研究加载振幅、激振频率、孔隙度对金属橡胶疲劳磨损和疲劳寿命的影响. 研究结果表明:金属橡胶密封件的迟滞回线呈现明显的“柳叶状”,并且在15万次振动周期前耗能能力有所下降;金属橡胶密封件的刚度随着孔隙度的减小而增加,试验样件的疲劳损伤随着孔隙度的减小而增加;加载振幅的增加会不同程度地加剧金属橡胶密封件的疲劳磨损,试验内容填补了O形金属橡胶密封件疲劳寿命性能研究的空白,为金属橡胶密封件的疲劳寿命研究提供一定的基础.      

Revised damage evolution equation for high cycle fatigue life prediction of aluminum alloy LC4 under uniaxial loading

The fatigue life prediction for components is a difficult task since many factors can affect the final fatigue life. Based on the damage evolution equation of Lemaitre and Desmorat, a revised two-scale damage evolution equation for high cycle fatigue is presented according to the experimental data, in which factors such as the stress amplitude and mean stress are taken into account. Then, a method is proposed to obtain the material parameters of the revised equation from the present fatigue experimental data. Finally, with the utilization of the ANSYS parametric design language (APDL) on the ANSYS platform, the coupling effect between the fatigue damage of materials and the stress distribution in structures is taken into account, and the fatigue life of specimens is predicted. The outcome shows that the numerical prediction is in accord with the experimental results, indicating that the revised two-scale damage evolution model can be well applied for the high cycle fatigue life prediction under uniaxial loading.     

FATIGUE LIFE PREDICTION OF SUS 630 （H900） STEEL UNDER HIGH CYCLE LOADING

The fatigue life prediction of high strength steel SUS 630 （H900） under high cycle loading is conducted with consideration of a characteristic fatigue length of material. Based on the WShler curve of smooth materials, a modified method for fatigue life prediction is approached. The characteristic fatigue length of material under cyclic loading is associated with the polycrystalline material. Rather than the stress at a point, the average stress within the characteristic fatigue length is implemented for the fatigue life prediction. The method can be applied to both the smooth and the defected material. The fatigue life prediction is also verified experimentally by specimens with various small circular holes. Through the comparison, it is found that the method can be adopted to predict the fatigue lives with different size effects.