TC4钛合金超高周疲劳性能研究

应用基于压电超声疲劳技术开发的20kHz超声疲劳拉压试验系统,在室温下完成了对称载荷作用下TC4钛合金的超高周疲劳试验,并分析了次表面断裂的试件断口。结果表明:疲劳循环大于10~7周次时,试件仍会发生疲劳断裂,且疲劳强度会随循环次数的增加而下降,不存在明显的疲劳极限;TC4钛合金断口呈现"类鱼眼"形貌,能谱分析未观察到裂纹源处夹杂物的存在;疲劳断面的粗糙度随与疲劳源区距离的增大而减小,裂纹在后期扩展速率较快,并伴随少量塑性变形。该TC4钛合金次表面疲劳裂纹的产生是由其微观组织的不均匀或晶粒内部的滑移带导致的。     

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.     

超高周疲劳试件尺寸优化设计研究

针对超高周疲劳试件疲劳区长度设计的随意性大、要求不明确等问题,本文通过建立超高周疲劳试件的理论模型,定义了应力放大系数、疲劳区尺寸等关键设计指标参数,探索了各指标参数随试件尺寸的变化规律。结果表明,随着试件疲劳区长度的增加,试件应力放大系数反而减小,应力均匀度降低。这成为制约试件尺寸设计的主要矛盾。为了确定超高周疲劳试件的合理疲劳区长度,本文提出了超高周疲劳试件设计的约束条件和优化指标,实现了超高周疲劳试件的尺寸优化设计,得到疲劳区的合适范围为5mm~10mm。通过本文提出的尺寸优化指标求解出6063铝合金超高周试件疲劳区半长度应取6mm。     

一种共振频率可调的振动放大器设计

采用电磁振动台开展结构疲劳试验研究时,常会遇到高频激振能力不足的问题,为此本文设计了一种融夹持与放大于一体的共振频率可调的振动放大器。首先,通过构建振动台-振动放大器-试件系统的动力学模型,分析振动特性并揭示了振动放大器的放大原理;然后通过三维辅助设计建模完成了振动放大器的结构设计,并结合有限元分析对振动放大器有效性进行验证;最后通过对比试验验证得到,该设计可以有效覆盖试件目标振型所对应的固有频率,并显著提高振动台的激振能力。     

非线性呼吸行为对带横向裂纹Jeffcott转子稳定性的影响

在分析现有力学模型局限性的基础上,考虑转子在失稳转速附近复杂的涡动状态,构建了不依赖于重力占优假设的含横向裂纹的Jeffcott转子的通用运动方程和一种拟合的裂纹呼吸模型。根据Floquet稳定性理论,用打靶法分析了该裂纹转子模型运动的稳定性。结果表明,刚度相对变化量、系统阻尼、裂纹相位角等系统参数对模型的运动稳定性都有较大影响,特别是裂纹相位角对稳定性的影响很复杂;在临界转速附近,裂纹的非线性呼吸行为可以提高转子的稳定性,且改变了失稳发散的行为;在亚临界转速附近,裂纹的非线性呼吸行为会降低转子的稳定性,使周期运动发生结构失稳。     

一种基于相邻数据依赖性的混沌分析方法

混沌作为一种复杂的非线性行为,广泛存在于各个行业领域,对于混沌的研究具有重要的理论意义和应用价值.现在常用的混沌分析方法,如Lyapunov指数、关联维数、Poincaré图等,需要解决相空间重构、线性标度区选取等问题,且不能很好地兼顾定性与定量分析两方面.基于此,提出一种度量相邻数据依赖性的混沌分析方法,通过计算相邻数据间的距离变化,将复杂的一维原始数据列转换为新的相邻距离值序列进行分析,避免了相空间重构等问题,对于不同的典型混沌模型,如Logistic模型、Duffing振子、Lorenz模型等,均具有较好的分析效果,能够描述不同模型的混沌特性,直观与量化分析效果均较好,且具有一定的抗噪能力,由于不需要掌握真实的模型信息,更适用于模型未知的复杂实际问题.将相邻数据的距离值对于不同混沌状态的区分作用应用于机械转子振动信号分析,可以明显地识别出转子工作状态的变化,表明该方法具有良好的实际应用前景和潜力.     

一种改进的激光冲击强化效果实验验证方法

表面强化技术可以显著提高材料的疲劳性能,广泛应用于航空零部件的加工制造。在试验研究强化工艺对材料疲劳性能的增强效果时,常采用升降法来进行。针对升降法试验中存在的初始应力不易确定的问题,根据线性累积损伤理论和已知表面强化前材料疲劳特性的特点,提出一种快速确定升降法试验初始应力的方法,应用于K417材料激光冲击强化效果试验验证中。该方法仅需通过2～3个试件的实验即可找到适当的初始应力。通过对不同表面状态标准试片的振动疲劳试验,验证了激光冲击强化可较大幅度增强材料的疲劳性能。     

一种基于SERR法的拟合裂纹呼吸模型

根据断裂力学理论,采用SERR法对含横向裂纹转轴的裂纹呼吸行为进行了研究.采用函数逼近的方法,将转轴旋转过程中裂纹的呼吸行为对刚度的影响规律拟合为一个周期函数,提出了一种描述裂纹呼吸行为的拟合模型,并讨论了裂纹深度变化对呼吸行为的影响.结果表明:拟合的裂纹呼吸模型考虑了裂纹呼吸行为的非线性特征与有限元以及实验结果更接近;在a/R<0.5情况下裂纹深度的变化对裂纹呼吸行为的变化规律影响较小,动力学仿真研究时可以忽略这种影响,只考虑刚度的变化.