压力容器高应变区应变疲劳裂纹扩展试验研究

针对压力容器几何结构不连续高应变区断裂和疲劳破坏特点,本文通过对应变循环条件下疲劳裂纹扩展影响因素和控制参量的理论分析,提出将△J作为应变循环条件下疲劳裂纹扩展速率的控制参量,并在EPRI弹塑性断裂分析工程方法基础上,提出了△J的工程计算方法,并通过模拟应变疲劳裂纹扩展的SCT试样试验,验证了△J工程计算方法的可靠性,根据SCT试样应变疲劳裂纹扩展试验研究结果,在考虑了压力容器高应变区几何形状和材质变化对应变疲劳裂纹扩展参量影响后,提出了一种压力容器高应变区应变疲劳裂纹扩展速率工程估算方法。     

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。      

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹疲劳扩展规律研究

本文以含倾斜裂纹的拉伸板为试验模型,进行了Ⅰ—Ⅱ复合型裂纹疲劳扩展实验证实了文献[1]提出的复合型裂纹疲劳扩展寿命预计方法是一种较高精度的工程计算方法。本文提出了估算拉伸板中斜裂纹疲劳扩展寿命的另一种方法——投影法。与实验数据相比,投影法在较大范围内与实验结果相吻合;同文献[1]具有同等精度,但计算简便。本文根据实验结果,对Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的疲劳扩展角与在单调载荷作用下的断裂角之间的差别作了初步的探讨。发现实际的疲劳扩展角普遍大于单词载荷下的断裂角。     

复合材料修补结构腐蚀扩展特性实验研究

为了研究腐蚀环境对复合材料修补结构疲劳特性的影响,开展以某型飞机加速环境谱为基础的预腐蚀试验,并采用递进式的试验方法分别完成对未修补未腐蚀、修补但未腐蚀、又修补又腐蚀的试样疲劳裂纹扩展试验。利用试验数据计算了复合材料修补构型、腐蚀环境对裂纹尖端应力强度因子影响的修正系数,并确定了通过试验验证的修补结构疲劳裂纹扩展修正模型。该模型预测腐蚀环境下修补结构的疲劳寿命与试验值一致。试验数据和预测模型可为海军飞机复合材料修补结构的损伤容限设计提供参考。     

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。     

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。     

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.     

疲劳裂纹随机扩展模型进展

本文分析了疲劳裂纹扩展具有分散性的主要来源，对疲劳裂纹随机扩展模型从唯象学的角度作了较为详细的分析和回顾．尽管疲劳裂纹随机扩展问题已有了很多的研究结果，但还有许多问题有待进一步的深入研究．     

航空发动机压气机叶片振动疲劳裂纹扩展规律研究

以某型航空发动机压气机2级转子叶片为例,研究了叶片的振动疲劳裂纹扩展规律。研究过程中,首先利用有限元方法分别计算了试验状态与工作状态下叶片振动导致的裂纹尖端应力强度因子范围随裂纹长度的变化;试验研究了裂纹扩展速率与裂纹长度的关系。之后,综合计算结果和试验结论,得出叶片试验状态与工作状态下的裂纹扩展规律,并与Paris公式进行了比较,发现叶片的振动疲劳裂纹扩展速率dad N是与裂纹长度a和裂尖应力强度因子范围IΔK相关的多项式,而Paris公式不能描述叶片的振动疲劳裂纹扩展现象。研究结论可进一步确定叶片的损伤容限、确定合理的叶片检修周期,为保障飞行安全奠定基础。     

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.     

基于非齐次复合Poisson过程的正交异性钢桥面板细节疲劳裂纹随机扩展研究

传统的正交异性钢桥面板疲劳损伤评估常采用确定性和可靠性分析方法,忽略了疲劳裂纹扩展的随机性影响,针对这一问题,提出钢桥面板细节疲劳随机扩展分析方法。本文以南溪长江大桥为工程背景,基于长期车辆荷载监测数据,建立了车辆荷载非齐次复合Poisson过程模型。建立钢桥面板有限元模型,采用瞬态分析方法将随机车辆荷载转化成细节疲劳应力,基于线弹性断裂力学理论推导U肋-顶板焊接细节疲劳裂纹扩展时变微分方程,实现宏观关系式疲劳应力幅次数-疲劳损伤至微观表达式应力时间序列-疲劳损伤转换,讨论了车载次序及超载对疲劳裂纹扩展的影响。研究结果表明,非齐次复合泊松过程模型能够较好描述随机车流运营状态,车辆荷载的次序对疲劳裂纹扩展速率的影响不可忽略,重车排序靠前时能够促使疲劳裂纹扩展增速,南溪长江大桥细节点的车辆超载迟滞效应修正系数取值0.804。     

常幅载荷下结构元件断裂可靠度估算的应力强度因子模型

给出了一个估算结构元件疲劳可靠度的应力强度因子模型,系统阐述了元件在常幅载荷下疲劳可靠性的分析方法。该模型研究了常幅载荷作用下材料瞬时裂纹长度和应力强度因子的分布形式,建立了应力强度因子与断裂韧性之间的干涉关系。对7075-T7351铝合金中心裂纹试件试验数据分析的结果表明：裂纹的瞬时扩展长度和可靠度的预测结果均与试验结果符合很好,本文给出的基于应力强度因子的可靠性分析模型是合理的。     

基于裂纹闭合效应的高载迟滞预测模型修正

裂纹闭合效应通常是导致I 型裂纹扩展在高载作用下发生迟滞效应的主要因素之一．本文采用汽车薄板QSTE340TM 材料，针对不同应力比，高载比条件下疲劳裂纹扩展行为进行了实验研究．论文通过断面分析，针对各参数对裂纹闭合效应的具体影响进行了分析讨论，认为裂纹作用区域随裂纹扩展而动态变化，从而提出了一种对有效应力强度因子幅的修正方法．通过在原有模型中引入幂函数形式的动态变量α，表征裂纹闭合效应的作用比例随裂纹长度的动态变化，取得了较好的效果．     

STOCHASTIC MODELLING OF FATIGUE CRACK GROWTH UNDER CONSTANT AMPLITUDE LOADING

Two stochastic models of fatigue crack growth under constant amplitude cyclic loadingare proposed and studied by using the stochastic averaging method and total probability theorem to ac-count for high frequency component and low frequency component, respectively, of the irregular na-ture of fatigue crack growth observed in Virkler's experiment. Particular attention is paid to the predic-tion performance of the models under a change in the initial crack length. It is shown that the modelsproposed in the present paper yields better agreement with experimental data than other models avail-able in literature.     

随机应力过程下半椭圆型表面裂纹的扩展

本文应用随机平均原理研究了在随机载荷作用下具有随机抗裂特性的构件所含半椭圆型表面裂纹的疲劳扩展。导出了支配半椭圆型表面裂纹尺寸的转移概率密度的ＦＰＫ方程，给出了裂纹扩展方程在表面和深度两个方向互不耦合情形下的解析解。通过数例详细考察了具有确定性抗裂特性的构件所含半椭圆型表面疲劳裂纹在平稳窄带高斯应力作用下的扩展行为，并有和数字模拟验证方法的有效性。     

Cohesive zone laws for fatigue crack growth: Numerical field projection of the micromechanical damage process in an elasto-plastic medium

Cohesive zone failure models are widely used to simulate fatigue crack propagation under cyclic loading, but the model parameters are phenomenological and are not closely tied to the underlying micromechanics of the problem. In this paper, we will inversely extract the cohesive zone laws for fatigue crack growth in an elasto-plastic ductile solid using a field projection method (FPM), which projects the equivalent tractions and separations at the cohesive crack-tip from field information outside the process zone. In our small-scale yielding model, a single row of discrete voids is deployed directly ahead of a crack in an elasto-plastic medium subjected to cyclic mode I K-field loading. Damage accumulation under cyclic loading is captured by the growth of voids within the micro-voiding zone ahead of the crack, while the evolution of the cohesive zone law representing the micro-voiding zone is inversely extracted via the FPM. We show that the field-projected cohesive zone law captures the essential micromechanisms of fatigue crack growth in the ductile medium: from loading and unloading hysteresis caused by void growth and plastic hardening, to the softening damage locus associated with crack propagation via a void by void growth mechanism. The results demonstrate the effectiveness of the FPM in obtaining a micromechanics-based cohesive zone law in-place of phenomenological models, which opens the way for a unified treatment of fatigue crack problems.     

STOCHASTIC PROPAGATION OF SEMI-ELLIPTICAL SURFACE CRACK

The semi-elliptical surface crack growth of structural components withuncertain material resistance under random loading is studied by using the stochasticaveraging principle.The FPK equation governing the transition probability densityfunction of crack lengths is derived.The analytical solution of the FPK equation forthe case of that the equations for the crack growth in the surface and depth directionsare uncoupled is obtained.The effects of the parameters of the stress process and of thematerial property on the behavior of semi-elliptical fatigue crack growth of thecomponents with deterministic resistance to crack growth in the stationary Gaussianstress process are examined.The comparison of the analytical result with digitalsimulation shows the effectiveness of the present method.     

Finite element analysis of the fatigue crack growth rate in transformation toughening ceramics

The fatigue crack growth rate in the zirconia tetragonal polycrystal is analyzed through the finite element method. In order to achieve this purpose, a continuum based constitutive law for materials subjected to phase transformations has been suitably implemented into a commercial finite element code. The fatigue crack growth in a notched beam, subjected to a cyclic four points bending load, has been investigated through a sensitivity analyses with respect to the two most relevant constitutive parameters: one accounting for the amount of the transformation strain and one accounting for the activation energy threshold. The fatigue crack growth rate typical of transforming materials is characterized by two distinct stages: at the beginning of the crack propagation process, the crack growth rate exhibits a negative dependency on the applied stress intensity factor; thereafter, a linear positive dependency is observed. This two stage process is well caught by the finite element model presented in this paper. Moreover, the response of the computational analyses has shown that the strength of the transformation process is determinant for the crack growth process to be arrested.     

高强度钢的超高周疲劳裂纹扩展模型研究

当疲劳寿命在106或107周时,Wöhler S-N 曲线被看作渐近于水平轴,107的疲劳强度被看成是疲劳极限。现代应用要求延长零件的工作寿命,实际齿轮部件应用超过107循环的疲劳失效。本文应用压电超声疲劳试验机对经过热处理和渗碳处理后的低铬合金钢材料进行研究,采用红外摄像仪观测试件表面的温度场随疲劳裂纹萌生和扩展的过程。试验条件是室温,应力比为0.1（R=0.1）,频率为20KHz。通过对表面渗碳处理后试件的断口分析,探讨表面渗碳处理、微观结构和与杂质有关的断裂机理,根据Paris公式建立超高周疲劳裂纹扩展模型。对裂纹扩展过程中裂纹尖端的塑性区的分析结果,结合传热学原理,建立热耗散模型,有限元方法的数值解结果较好地符合红外摄像仪的观测的试验结果。