基于耗散能密度的疲劳裂纹扩展规律研究

在疲劳裂纹扩展过程中,裂纹尖端的能量耗散决定了裂纹扩展能力.研究基于耗散能密度的裂纹扩展规律更有物理意义.耗散能密度是材料疲劳性能的一种表征参数,实验测得了镍基高温合金GH4169材料室温和450℃高温的耗散能密度与控制应力幅值的关系曲线.参照Paris公式的形式提出了基于耗散能密度的裂纹扩展方程,并通过疲劳裂纹扩展试验测量了GH4169材料在室温和450℃高温下的裂纹扩展速率与耗散能密度的关系.试验结果的总体趋势与所提出的扩展方程一致.     

一种基于耗散能计算的高周疲劳参数预测方法

在热力学框架下,基于薄板假设,建立金属材料薄板试样在高周疲劳载荷作用下的热传导方程,将试样温度场数据和实时载荷信号导入,准确计算与高周疲劳损伤相关的单个循环内耗散能. 基于该方法,以316L不锈钢材料为例,通过实时监测试样不同应力水平下高周疲劳破坏全过程中耗散能的变化,拟合出耗散能-疲劳寿命曲线,呈现与传统的应力-疲劳寿命曲线相同的规律;提出一种新的预测高周疲劳极限的能量法,确定的疲劳极限与实验值相近.     

基于裂纹扩展的疲劳-蠕变寿命预测

为了提高疲劳-蠕变寿命的预测精度,首次从裂纹扩展角度出发引入有效应变能密度增量,利用应力-应变迟滞回线所围图形的正值面积对其进行了定义和计算。计算表明,有效应变能密度增量与加载的应力、速率、保载时间、材料性质及疲劳-蠕变的速率相关,且随压应力增加而增大。通过将有效应变能密度增量与裂纹的长度之积定义为裂纹扩展的控制参量,建立了疲劳-蠕变下的裂纹扩展速率方程,并由此导出了疲劳-蠕变寿命与有效应变能密度增量之间的关系式。该式中的疲劳与蠕变有效应变能密度增量交叉项恰好反映了疲劳与蠕变的交互作用。最后,采用该式对1.25Cr0.5Mo钢在540℃时不同应力控制下的疲劳-蠕变寿命进行了预测,发现83.3%的预测值在实验值的1.3倍分散带以内,预测结果良好。     

沥青混合料的低频疲劳效应研究

已有文献表明加载频率对于疲劳寿命的影响较大，对于沥青砼而言，其影响可能更显著，因为在低频条件下，其流变性能表现得更充分．笔者根据沥青混合料的室内低频疲劳试验，运用耗散能理论，得到了沥青混合料的低频疲劳规律．     

基于电能耗散的金属材料疲劳损伤测量

根据电磁学原理，提出了基于电能耗散的疲劳损伤定义，指出其较能反映金属材料疲劳损伤的特征。获得了用电阻变化测量疲劳损伤的公式，应用计及疲劳极限和循环应力幅影响的非线性累积疲劳损伤模型，给出了金属材料疲劳损伤的剩余寿命预测公式。通过正火45^#碳钢的旋转弯曲疲劳试验，验证了本文提出的剩余寿命预测公式的可靠性，和韧性耗散测量疲劳损伤相比较；说明了用电阻测量疲劳损伤的合理性。     

多轴非线性连续疲劳损伤累积模型的研究

根据所建立的单轴非线性疲劳损伤累积模型,在多轴疲劳损伤临界面原理研究的基础上,针对多轴比轴比例加载,建立了多轴非线性连续疲劳损伤累积模型,该模型可以考虑多轴疲劳极限、平均静水应力以及损伤参量与加载参数的不可分离的特点,并且能够反映出多轴加载顺序的影响,最后讨论了该多轴疲劳损伤累积模型在多级加载下的递推形式,经多轴二级及块载疲劳试验数据验证表明,用该模型预测多轴疲劳寿命,其结果令人满意。     

基于能量法的多轴疲劳寿命预测方法

摘 要：有效的疲劳寿命预测方法是确保处于多轴循环载荷作用下的工程构件安全性的关键。结合临界平面思想，提出了一种基于能量法的多轴疲劳寿命预测模型；该模型针对不同的疲劳失效形式采用不同的临界面上能量参数作为损伤参量，可体现多轴加载条件下的平均应力效应以及临界面上各方向参量对材料疲劳损伤的影响。通过六种材料的多轴疲劳试验数据对所提出的模型及其它三种经典能量模型进行了评估与验证，结果显示所提出的模型相较于其他模型具有更好的寿命预测精度及工程适用性。     

粉末冶金涡轮盘简单模拟件低周疲劳寿命研究

采用光滑圆棒试样和带孔平板试样,对不同温度下的镍基粉末高温合金(FGH95)的低周疲劳(LCF)寿命进行了试验研究和有限元分析。在详细分析试验和有限元计算结果的基础上,提出了复杂应力状态下的低周疲劳寿命模型。模型寿命表达为真实应力幅的函数,模型参数由不同应力水平加载作用下的光滑圆棒试样试验结果给定,进一步采用涡轮盘简单模拟件即带孔平板试样对比验证LCF寿命模型的有效性。有限元计算结果显示,理论预测寿命与试验结果能很好地吻合。     

疲劳寿命估算的能量法及其实验研究

根据疲劳损伤滞后能等效原理,导出了缺口件与光滑件的当量应力关系,通过Ｎｅｕｂｅｒ公式和饱和应力应变关系,可确定当量应力取值;采用定量方程随机化方程,建立了γ－ｐ－ε－Ｎ曲线（置信度－可靠度－应变－寿命曲线）公式及其实验测试方式;根据疲劳累积损伤理论和γ－ｐ－ε－Ｎ曲线公式,得到了随机载荷谱作用下构件疲劳寿命估算公式;最后,实验验证了复杂实测载荷谱作用下,ＬＹ１２ＣＺ铝合金含孔试样的疲劳寿命估算结果     

Q345低周疲劳性能与疲劳寿命预测分析

本文对结构用钢Q345的低周疲劳性能进行了试验研究。试验在常温下岛津电液伺服疲劳试验机上进行,采用轴向应变控制方法,恒定应变速率为0.005s-1,应变比为-1。试验结果表明,初始阶段,Q345在高应变幅值(0.6%)循环作用下出现循环硬化效应,而在低应变幅值(0.6%)作用下出现循环软化效应;随着加载应变幅的增加,硬化和软化率呈直线上升趋势。Q345疲劳裂纹萌生阶段占其整个寿命的60%以上,其裂纹萌生寿命与应变幅存在幂函数关系。根据Coffin-Manson公式得到了Q345的应变-寿命关系公式;采用能量预测法得到了材料的塑性应变能与疲劳寿命的关系表达式。上述结果对钢结构的设计、评估具有重要的工程应用参考价值。     

复合材料层板疲劳损伤加载次序效应研究

从能量耗散的角度出发，建立了一种以有效循环滞回能为基础的非线性疲劳损伤累积法则，并从理论和实验两方面证明了该法则能够正确反映载荷次序效应     

疲劳损伤临界值分析

通过对疲劳过程和疲劳失效的临界状态的分析，提出疲劳失效判据应与损伤程度和应力水平两个因素有关，并在试验的基础上建立了一个剩余强度退化的对数模型。根据疲劳过程中材料强度退化的事实及其规律。分析了损伤临界值与循环应力水平之间的关系，给出了一般应力水平下疲劳损伤临界值的范围，对于随机疲劳问题，给出了损伤临界值的分布规律。     

基于应变能的复杂应力场低周疲劳分析

塑性应变能使材料微观组织结构发生不可逆变化,从而引起等效宏观应力,该应力随循环加载而增大．假定材料疲劳源处破坏是由最大拉应力引起的,最大等效宏观应力与外加应力叠加达到材料本征断裂应力时形成微裂纹．微裂纹引起上述两部分应力变化,继续加载直至宏观裂纹出现,从而得到材料的疲劳寿命．本文所建立的多轴疲劳寿命公式包含材料参数、拉应力以及塑性应变能等,以上数据可通过单轴疲劳数据和有限元方法获得．通过对SM45C材料的计算验证,表明该模型对多轴随机应变加载低周疲劳寿命,具有良好的预测结果．     

金属材料的非线性疲劳累积损伤模型及强度衰减分析

用连续介质损伤力学的方法推导得到了一个非线性的损伤发展方程，该方程计及了加载过程应力与损伤的完全耦合效应；又由损伤发展方程得到了一个计及加载循环周内和循环周间损伤积累非线性效应的完全非线性疲劳累积损伤模型，已有的部分非线性疲劳累积损伤模型成为它的特例。由损伤发展方程确定了材料剩余强度随损伤发展的衰减规律和临界损伤值。     

Analysis of Strain Energy Behavior Throughout a Fatigue Process

The dissipation of strain energy density per cycle was analyzed to understand its trend through a fatigue process. The motivation behind this analysis is to improve a fatigue life prediction method, which is based on a strain energy and failure correlation. The correlation states that the same amount of strain energy is dissipated during both monotonic fracture and cyclic fatigue. This means the summation of strain energy density per cycle is equal to the total strain energy density dissipated monotonically. In order to validate this understanding, the strain energy density per cycle was analyzed at several alternating stress levels for fatigue life of Aluminum 6061-T6 (Al 6061-T6) between 10³ and 10⁵ cycles. The analysis includes the following: Alternating between high and low operating frequencies (50x magnitude difference), interruption of cyclic load during testing, and idle/zero-loading intervals of 20–40 minutes in-between cyclic loading sequences. All experimental results show a consistent trend of cyclic softening as the loading cycles approach failure; however, due to an inefficient curve fit procedure of the stress-dependent strain equation at low alternating stresses onto the experimental stress-strain data, a new approach for calculating the strain energy density per cycle is explored and shows promising results.     

Fatigue life predictions by integrating EVICD fatigue damage model and an advanced cyclic plasticity theory

An event independent cumulative damage (EVICD) fatigue prediction model was previously developed for the fatigue damage prediction under general multiaxial stress state and loading conditions. The model takes the plastic strain energy as the major contributor to the fatigue damage. The application of the EVICD model does not require a cycle counting method for general random loading. In the current effort, derivations were made to explicitly and directly relate the material constants in the fatigue model to the parameters in the Manson–Coffin equations and the cyclic stress–strain curve of the material. In addition, an advanced cyclic plasticity theory was implemented for the determination of the detailed stress–strain response that was required as the input for the EVICD fatigue model. Three metallic materials were used to demonstrate the capability of the modified fatigue model for the predictions of fatigue lives under different loading conditions. The results show that the fatigue model can provide fatigue life predictions in close agreement with the experimental observations.     

基于顺序雨流法和临界平面法的多轴变幅低周疲劳寿命评价

 在多轴变幅疲劳寿命预测过程中，合适的雨流计数法对复杂加载历程分析非常重要，但是大多数雨流计数过程往往无法保持原始的加载顺序特性，进而会导致非保守的疲劳损伤和寿命预测．本文提出一种考虑加载顺序效应并基于临界面概念的多轴实时顺序雨流法，该方法既具有实时顺序计数特点，同时与Bannantine-Socie多轴雨流法结合，可以实现对主要通道内的载荷历程实时的雨流计数．基于Morrow 模型，提出一种新的考虑加载顺序的线性损伤累积方法．相对于传统雨流计数法需要得到完整的载荷数据后才能进行分析的特点，新方法计算效率更高，实用性更强．通过对316L 不锈钢的多轴疲劳试验数据的分析，验证了该方法在多轴疲劳寿命预测过程中的有效性．     

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.