扩展有限元法在结构件疲劳寿命估算中的应用

为了高效、准确估算飞机典型结构件的疲劳扩展寿命,基于通用有限元分析软件ABAQUS的扩展有限元功能计算应力强度因子,采用NASGRO方程计算疲劳裂纹扩展速率。为了避免大量重复提交运算的繁琐过程,应用PYTHON语言开发了在ABAQUS疲劳裂纹扩展分析中反复调用扩展有限元结果和NASGRO方程的子程序,在指定的疲劳裂纹扩展路径上实现了对飞机连接件疲劳裂纹扩展速率与寿命的计算。结果表明,模拟的疲劳裂纹稳定扩展阶段的寿命曲线与实验结果吻合较好,疲劳寿命误差约为10%。     

基于随机点过程理论的疲劳裂纹随机扩展模型

本文根据疲劳裂纹扩展特性，运用随机点过程理论导出了求取裂纹扩展随机过程低阶矩的公式。同时根据二阶矩近似法用Ｗｅｉｂｕｌｌ分布近似给定寿命下的疲劳纹长度分布。给出了求取给定寿命下裂纹超值概率分布和给定裂纹长度下疲劳寿命分布公式。最后，用小样本孔边短裂纹扩展数据对模型适用性进行了初步验证。     

给定寿命下的焊趾疲劳裂纹深度尺寸分析

本文提供并用统计方法研究了焊趾疲劳裂纹扩展的Ｎ～α曲线族，给出了联系给定裂纹尺寸下的疲劳分布，给定疲劳寿命下的裂纹尺寸分布以及随机初始条件的概率相容条件。研究表明，给定寿命下的焊趾疲劳裂纹深度尺寸α服从分布Ф［（μ（ａ）－ｌｏｇＮ）／σ（ａ）］。     

沥青混合料疲劳过程的损伤力学分析

采用损伤力学方法研究沥青混合料的疲劳失效问题。针对悬壁梁弯曲疲劳试件,推导出疲劳过程中应力场、损伤场和疲劳裂纹形成寿命的工程封闭公式。根据沥青混合料特点,提出一种模拟疲劳裂纹扩展的特征单元失效模式,从而将疲劳裂纹形成与扩展两个阶段统一用损伤力学理论进行描述和分析。本文对沥青混合料试件的疲劳裂纹形成寿命与扩展寿命分段进行了预测,还对疲劳过程中刚度衰减及位移幅值的演化过程进行了数值模拟计算。理论预期与实验结果吻合良好。     

飞机谱载下铝合金锪窝孔结构腐蚀疲劳研究

通过战斗机谱载下7475—T761铝合金紧固孔试件空气与3．5％NaCl环境中的疲劳试验和断口分析，得到了相应结构疲劳全寿命和孔边角裂纹的裂纹长度-寿命数据．通过三维有限元分析得到了孔边角裂纹的应力强度因子．采用我们新近发展的三维疲劳寿命分析软件，基于材料裂纹扩展基准曲线和一组直通孔实验数据，对锪窝孔结构角裂纹的疲劳和腐蚀疲劳扩展寿命进行了预测．结果表明，提出的基于三维断裂力学的寿命预测方法和软件对复杂结构的全寿命有精确的预测能力，比传统的局部应变法优越，可适用于复杂环境下三维结构的疲劳寿命分析．     

疲劳裂纹扩展分析的随机方法

本文介绍了近年发展起来的疲劳裂纹扩展分析的随机方法,即疲劳裂纹扩展随机模型建立方法和疲劳裂纹扩展统计分析方法。这一分析方法为金属构件疲劳裂纹扩展寿命及可靠性研究提供了有力的工具。      

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.     

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。     

机翼主梁钛合金模拟件谱载疲劳寿命实验研究

确定某型飞机机翼主梁结构的使用寿命是保证该机使用安全的关键。本文对全机第一关键危险部位--机翼钛合金主梁下缘螺栓孔模拟件进行随机谱和程序块谱载荷下的疲劳寿命试验,获得了模拟件的疲劳裂纹形成寿命和疲劳全寿命,并对其寿命进行了统计处理和对比分析。结果表明,程序块谱较随机谱有更长的疲劳寿命。这说明随机谱比程序块谱要严重,对钛合金主梁模拟件的疲劳寿命有显著的影响。该结论可为机翼钛合金主梁构件疲劳寿命预测及疲劳设计提供试验依据。     

斜齿轮疲劳裂纹萌生及扩展过程全寿命研究

文章以斜齿轮为研究对象,综合考虑混合润滑状态下摩擦动力学特性对齿面应力分布的影响以及渗碳表层硬度梯度和残余应力的非均匀分布特征,以风险疲劳累积理论为基础建立了疲劳裂纹萌生寿命预估模型;考虑裂纹在晶粒内部的非线性扩展规律以及晶界处的非连续扩展特征,建立了短裂纹扩展模型;针对长裂纹扩展过程中不同阶段扩展速率的差异,建立了长裂纹扩展速率统一方程,从而完成了对齿轮接触区疲劳裂纹萌生及扩展过程全寿命的预估.计算结果表明:齿面应力分布受动载荷和润滑状态的影响显著;在残余应力作用下,有效剪切应力在渗碳表层出现多个波峰,疲劳裂纹萌生位置多点化,导致裂纹尺度有所不同,疲劳寿命存在差异,失效形式多样化.     

疲劳裂纹形成,扩展统计特性的大子样试验研究

针对疲劳损伤过程的随机性，该文开展了等幅谱大子样疲劳裂纹形成，扩展至破坏全寿命过程的试验研究。在计算确立了裂纹形成，扩发界工程小裂纹长度的基础上，事理得到了裂纹形成，扩展寿命的统计分布数据，根据断口金相ＳＥＭ观察，进一步定性分析了疲劳条纹分布的相关性特征。     

疲劳裂纹扩展寿命的可靠性及灵敏度分析

将影响结构疲劳裂纹扩展寿命的不确定因素视为随机变量,用随机有限元和可靠性分析理论,从概率论和数理统计的角度出发对含裂纹平面结构的断裂过程进行了可靠性分析。通过疲劳裂纹扩展寿命可靠度对随机变量的灵敏度分析,可以看出不同因素对疲劳裂纹扩展寿命可靠度影响的差别很大。     

燃气涡轮发动机关键部件疲劳小裂纹研究进展

疲劳小裂纹扩展作为疲劳开裂过程中的关键阶段之一,显著影响着材料和结构的疲劳断裂过程.因具有速率波动和扩展路径偏转等特点,小裂纹效应给材料和结构疲劳寿命预测结果带来了不确定性,从而影响燃气涡轮发动机等机械结构的服役安全.本文围绕燃气涡轮发动机关键部件材料的疲劳小裂纹扩展问题,首先总结了当前疲劳小裂纹的扩展规律及其对疲劳寿命的影响规律;其次,针对先进燃气涡轮发动机关键部件常用的多晶合金和单晶合金,揭示了疲劳小裂纹的萌生和扩展机理;再次,对疲劳小裂纹扩展模型进行了总结,且指出了各模型的优缺点;从次,重点针对先进燃气涡轮发动机热端部件的工作环境,综述了热腐蚀/氧化介质中的疲劳小裂纹扩展行为和模型;最后,对当前疲劳小裂纹相关研究进行了总结,且结合燃气涡轮发动机领域提出了未来的研究趋势与方向.本文以期为先进燃气涡轮发动机关键部件的设计、安全评估和寿命预测提供理论知识和科学方法.     

中碳结构钢微动疲劳性能的研究

考察了ＪＺ钢微动疲劳性能以及微动频率和接触压力等因素对微动疲劳寿命的影响,采用宏观力学试验与微观分析结合的方法探讨了ＪＺ钢微动疲劳裂纹的萌生和扩展机制．     

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.      

金属材料疲劳裂纹扩展机制及模型的研究进展

裂纹萌生、扩展和断裂行为及其与材料本身和外部因素的关联一直是工程与科学界的重要研究课题。本文总结了影响疲劳裂纹扩展的多种因素，综述了高周疲劳裂纹扩展的唯象模型和理论模型，以及低周和超高周疲劳裂纹扩展模型的新进展(包括基于能量的和考虑概率的)。综合前述模型优缺点，提出了一种基于单轴拉伸性能的新型疲劳裂纹扩展模型(iLAPS)。分析表明，新模型iLAPS与多种常用材料的疲劳裂纹扩展试验数据吻合较好，并且能够准确地给出不同应力比下的裂纹扩展速率曲线。最后，对先进材料抗疲劳开裂性能的高通量表征及运维技术进行了展望。     

CrMoW转子钢高温超高周裂纹扩展及疲劳行为研究

本文研究了超超临界汽轮机CrMoW转子钢在常温与600℃条件下的超高周旋转弯曲疲劳行为。实验中利用位移传感器原位监测试件挠度变化,研究裂纹的萌生与扩展特性。研究结果发现,在常温下,疲劳裂纹主要萌生于试样表面,但也发现超高周次疲劳破坏的裂纹萌生于内部的情形。600℃时,S-N曲线呈现直线下降的趋势;大多试样裂纹萌生区和初始扩展区发现非金属夹杂物,其裂纹萌生是表面裂纹起源和亚表面夹杂物相耦合的结果。裂纹萌生寿命占整个疲劳寿命的90%以上,裂纹萌生寿命百分比(Ni/Nf)随疲劳寿命的延长而增大,并且温度对裂纹萌生寿命百分比没有影响。     

任意分布参数疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析

针对工程中疲劳裂纹扩展过程带有很大的随机性,采用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.裂纹扩展方向采用最大周向应力准则.在此基础上,以材料属性和载荷为随机变量,用随机有限元法结合计算可靠度的四阶矩法,分析了分布参数为任意分布时的疲劳裂纹扩展寿命可靠度对极限寿命的变化规律.通过算例说明本文方法的结果与Monte-Carlo Simulation的结果误差很小,对疲劳设计有一定的指导意义.     

缺口试样疲劳短裂纹行为研究

采用复型方法对中碳结构钢单边钝缺口试样的非穿透和穿透疲劳短裂纹的演化过程进行了研究。结果表明：试样的疲劳破坏主要是由形成于缺口根部的表面短裂纹扩展引起的；形成穿透裂纹以前的短裂纹形成和扩展过程占试样疲劳寿命的７０％以上；线弹性断裂力学不适合于描述表面裂纹和穿透裂纹早期阶段的扩展特性；某些条件下，裂纹初始几何形状的影响是导致穿透裂纹早期扩展出现奇异特性的主要原因。     

焊接接头热影响区的海水腐蚀疲劳裂纹扩展速率

本文采用T型板状焊接接头试件承受弯曲循环载荷进行空气中和海水自由腐蚀条件下的疲劳裂纹扩展试验(海水中试验条件为R=0-0.1,加载频率0.2Hz,海水温度20℃±1℃),得到了海上平台钢E36-Z35焊接接头热影响区在空气中和海水中裂纹扩展速率da/dN～AK曲线和Paris公式中相应的C和m值,并进行了讨论. 应用本文得到的试验数据,用断裂力学方法对板状焊接接头在空气中和海水中自由腐蚀条件下的疲劳裂纹扩展寿命进行了估算,结果表明,在适当考虑裂纹起始寿命的情况下,用断裂力学方法估算的疲劳裂纹扩展寿命与试验结果相当符合.文中还讨论了初始裂纹尺寸的选取对估算裂纹扩展寿命的影响.