温度效应对铝合金壁板高频声振疲劳寿命的影响研究

基于统计能量分析方法,计算了不同温度条件下飞行器铝合金壁板的高频声振响应及均方应力;采用零阶矩应力谱法获得了简化应力功率谱,结合频域疲劳寿命分析方法计算了壁板的高频疲劳寿命。分别研究了温度变化导致结构的刚度、材料S-N曲线变化对铝合金壁板高频疲劳寿命的影响规律。研究结果表明:仅考虑刚度变化时,随着温度升高,危险点响应和均方应力均逐渐减小,进而导致壁板疲劳寿命变长;综合考虑刚度、S-N曲线随温度变化时,温度由20℃升高到100℃或降低至-60℃,均会导致铝合金壁板疲劳寿命显著缩短。高频声振疲劳这一特殊的温度效应,对高超声速飞行器的设计而言是一个新的发现。     

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.      

残余应力下厚壁筒表面裂纹的应力强度因子计算

本文首先介绍了边界元法计算裂纹尖端应力强度因子的基本理论,接着利用边界元法计算了在残余应力下不同厚壁筒内表面椭圆裂纹的应力强度因子,研究了其大不随椭圆裂纹不同而变化的规律,为厚壁筒结构的设计,制造以及疲劳寿命分析提供了许多有价值的参考资料。     

旋转防喷器壳体疲劳裂纹扩展研究

受井内高压和岩屑颗粒反复碰撞,旋转防喷器壳体会出现裂纹,裂纹的进一步扩展会导致壳体发生破裂。本研究基于Paris公式研究旋转防喷器壳体的疲劳裂纹扩展寿命,通过疲劳裂纹扩展试验确定Paris公式的材料常数,通过有限元模拟对CT试样进行疲劳裂纹扩展研究,分析初始裂纹尺寸、载荷大小的影响。结果显示：实验结果与有限元仿真结果能较好吻合;随着初始裂纹尺寸的增加,裂纹前缘应力强度因子逐渐增大,初始裂纹开始扩展,深度亦会随应力幅和应力比的增大而增大,而裂纹扩展寿命随着裂纹长度和载荷增大而减小,随着应力比的增大而增大。该研究为旋转防喷器安全使用提供一定的理论依据和研究方法。     

气动环境下结构噪声载荷谱编制方法

目前针对既受气动静压力又受声载荷的结构,试验考核时大部分是静强度与声疲劳寿命分开考核,但是气动静压产生的拉伸平均应力会影响结构的声疲劳寿命,本研究提供一种气动环境下结构噪声载荷谱编制方法,将气动静压对结构寿命的影响等效到声载荷中,便于在实验室中进行疲劳寿命验证。通过有限元研究了气动静压对结构振动特性和响应特性的影响,计算得到了不同压力情况下结构的振动特性,并且得到了气动静压与声载荷联合作用下结构的响应,根据相应材料的随机S-N曲线计算得到不同静压下结构的声疲劳寿命,得出了气动静压达到一定值会严重影响结构声疲劳寿命的结论。随后利用修正Goodman公式将平均应力非零状态的动应力转化为零平均应力时的动应力,然后根据损伤等效关系将气动静压对结构寿命的影响等效到声载荷中。研究给出了气动环境下结构噪声载荷谱编制方法。     

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.     

扭转预应变对35CrMo钢低周疲劳性能的影响

自行设计了疲劳和扭转两用的试样,通过对试件预扭转不同的角度,系统研究35CrMo钢在不同扭转预应变下的低周疲劳性能,分析了扭转预应变后35CrMo钢的循环硬化软化特性、滞后回线、塑性应变能及循环弹性模量的变化规律,并对疲劳断口进行扫描电镜分析。结果表明:4种预扭转处理过的试件均表现出明显的循环软化行为,且循环软化规律及衰减的程度基本相同;循环应力范围及疲劳寿命随着预扭转角的增大而降低;应力应变滞后回线中加卸载曲线间的宽度随着预扭转角的增大而减小;塑性应变能都随着循环次数的增大而增加,且随着预扭转角的增大其增大速率下降;循环弹性模量都随着循环次数的增加而逐渐降低,且随着预扭转角的增大其衰减趋势减缓。     

自紧炮管的疲劳寿命分析

本文用有限单元法计算了自紧残余应力对应的炮管的应力强度因子.自紧残余应力采用了符合炮管材料具有强化和包辛格效应性能推导的公式计算,根据工作内压和残余应力共同作用下炮管的总应力强度因子和测定的炮钢断裂韧度及疲劳裂纹扩展性能,分析了自紧炮管的疲劳寿命及自紧度和裂纹构形对疲劳寿命的影响.     

复杂载荷下疲劳寿命的估算

本文讨论在复杂载荷下疲劳(裂纹形成)寿命的估算方法。文中首先着重介绍局部应力-应变法的原理和应用,并通过带孔铝合金试件在随机载荷谱下的疲劳寿命计算实例加以具体说明。其次,本文还用传统的名义应力法作了疲劳寿命估算。对名义应力法,文中用了随机(块)谱及变均值、常均值、等损伤、主峰值等程序块谱。最后,本文把按局部应力-应变法及名义应力法所得疲劳寿命计算结果与已有的试验结果进行了分析比较。     

低温荷载下沥青路面非线性疲劳损伤数值模拟

为了研究沥青路面结构在温度荷载作用下的疲劳损伤特性,运用通用有限元软件ABAQUS及其二次开发平台,建立了考虑路面材料非线性疲劳损伤的沥青路面结构数值计算模型。分析了沥青路面结构损伤、水平拉应力基于温度荷载重复作用,随空间与时间的变化规律,以及沥青路面裂纹形成寿命。结果表明:损伤主要分布在沥青面层;随着温变次数的增加,面层表面的损伤度呈线性增加;面层表面损伤度均随着面层模量与温变幅度的增加而增加;面层表面水平拉应力随着温度变化次数的增加,以线性特征逐步减小;面层表面水平拉应力随着面层模量与温变幅度的增加均是先增大后减小,有一个峰值点;沥青路面面层的温度型裂纹疲劳形成寿命与面层模量有关,模量越大,裂纹形成疲劳寿命越短,因此从温度疲劳寿命的角度来说,面层不宜选择模量过大的沥青混合料。     

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.     

基于权函数法的核主泵飞轮应力强度因子研究

采用权函数法确定了含裂纹飞轮在离心力和接触压力作用下的应力强度因子,计算了在同步转速工况下裂纹尖端应力强度因子的值,并与解析法和有限元法计算结果进行了对比。结果表明:权函数法与解析法的误差在3%以内,与有限元法的误差在1%以内,验证了权函数法计算应力强度因子的准确性高;在结构不变的情况下,权函数法可以快速求解不同载荷条件、不同长度裂纹的应力强度因子。通过控制变量法研究了不同参数对应力强度因子的影响,结果表明,飞轮裂纹尖端总应力强度因子随着裂纹尺寸、旋转转速、飞轮尺寸外径与内径比值的增大而增大。     

A MULTIAXIAL HIGH CYCLE FATIGUE LIFE PREDICTION MODEL CONSIDERING THE EFFECT OF MEAN STRESS FOR TENSION-TORSION LOADINGS WITH SAME FREQUENCY 1)

目前基于临界平面理论的高周疲劳寿命预测模型, 大都充分考虑了法向平均应力对材料疲劳寿命的影响, 但是没有有效反映剪切平均应力对疲劳寿命的影响. 通过分析7075-T651铝合金的试验数据发现, 与法向拉平均应力类似, 剪切平均应力同样对材料的疲劳寿命产生不利影响. 因此, 如果寿命预测模型中忽略剪切平均应力的影响, 存在明显剪切平均应力加载工况下, 预测寿命可能偏于危险. 由此, 本文定义具有较大法向应力的最大剪应力范围平面为临界平面, 建立了一个能够同时反映法向和剪切平均应力影响的高周疲劳寿命预测模型, 并给出了模型中材料常数的确定方法. 新模型首先将基于应变的Fatemi-Socie准则, 推广到材料的高周疲劳寿命预测, 给出了Fatemi-Socie准则的应力表述形式. 然后, 引入剪切和法向Walker因子, 反映剪切和法向平均应力对材料疲劳寿命的影响. 剪切和法向Walker因子的取值都介于0和1之间, 不同取值反映了材料对剪切和法向平均应力敏感程度的不同. 新模型适用于范围内的金属塑性材料. 利用5种材料在12种存在平均应力加载工况下的试验数据, 对所建模型进行了试验验证, 结果表明预测结果与试验结果吻合良好, 绝大多数寿命预测结果分布在3倍误差带以内.     

考虑平均应力的同频拉扭多轴高周疲劳寿命评价方法

目前基于临界平面理论的高周疲劳寿命预测模型, 大都充分考虑了法向平均应力对材料疲劳寿命的影响, 但是没有有效反映剪切平均应力对疲劳寿命的影响. 通过分析7075-T651铝合金的试验数据发现, 与法向拉平均应力类似, 剪切平均应力同样对材料的疲劳寿命产生不利影响. 因此, 如果寿命预测模型中忽略剪切平均应力的影响, 存在明显剪切平均应力加载工况下, 预测寿命可能偏于危险. 由此, 本文定义具有较大法向应力的最大剪应力范围平面为临界平面, 建立了一个能够同时反映法向和剪切平均应力影响的高周疲劳寿命预测模型, 并给出了模型中材料常数的确定方法. 新模型首先将基于应变的Fatemi-Socie准则, 推广到材料的高周疲劳寿命预测, 给出了Fatemi-Socie准则的应力表述形式. 然后, 引入剪切和法向Walker因子, 反映剪切和法向平均应力对材料疲劳寿命的影响. 剪切和法向Walker因子的取值都介于0和1之间, 不同取值反映了材料对剪切和法向平均应力敏感程度的不同. 新模型适用于范围内的金属塑性材料. 利用5种材料在12种存在平均应力加载工况下的试验数据, 对所建模型进行了试验验证, 结果表明预测结果与试验结果吻合良好, 绝大多数寿命预测结果分布在3倍误差带以内.      

薄板刚度对点焊接头强度特性影响

本文介绍了三种形状的薄板材料点焊接头试件的拉伸试验及疲劳试验结果,探讨了改变薄板刚度对点焊接头静强度和疲劳寿命的影响。应用断裂力学理论及有限单元法计算焊核周围裂尖各点的应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ及有效应力强度因子K_(φθmax),并用这些力学参数分析了不同刚度点焊接头试件的静强度和疲劳寿命。结果表明有效应力强度因子K_(φθmax)是评价拉剪点焊头疲劳寿命的有效力学参数。     

地震频率对Q235钢结构材料超低周疲劳行为的影响

研究了两种地震极限频率对于Q235钢结构材料的超低周疲劳性能的影响。采用横向应变控制方法,分别保持频率1Hz、3Hz恒定,在岛津电液伺服疲劳试验机上开展了试验钢的超低周疲劳试验。研究发现,循环应力响应特征,循环应力-应变关系,以及疲劳寿命均与频率相关,且在较高频率下,试验材料出现了二次循环硬化现象。分别建立了试验钢在两种频率下基于塑性应变幅值及应变速率的疲劳寿命预测公式。两种寿命预测公式均与试验结果吻合良好。通过电镜扫描(SEM),对比分析了不同频率下试验钢超低周疲劳下的微观断裂机理。     

自增强厚壁圆筒疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析

本文提供了自增强厚壁圆筒疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析的方法和公式,自增强残余应力用符合厚壁筒用钢具有强化和包辛格效应实际性能推得的公式进行计算,残余应力对应的应力强度因子的计算采用了有限元法,得到了工作内压与自增强残余应力共同作用下的厚壁筒应力强度因子公式,通过实验测定了厚壁筒用钢的断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率等性能。     

变厚度壁板损伤容限特性研究

从损伤容限设计概念出发，进行了变厚度壁板的裂纹尖端应力强度因子、剩余强度、裂纹扩展寿命分析，充分讨论等重量设计原则下变厚度壁板的可靠性、安全性，提出变厚度壁板损伤容限设计原则。给出的变厚度壁板应力强度因子是由基本构型因子组合而成，由此可以直观地看出各参数地影响，同时为工程应用中获取应力强度因子提供简洁有效的途径。     

7075铝合金扭转微动疲劳行为研究

在基于多轴疲劳试验机上自主设计的扭转微动疲劳装置上,对7075铝合金材料进行了扭转微动疲劳试验,讨论了相同法向载荷下不同扭转切应力对扭转微动疲劳寿命的影响,建立了7075铝合金扭转微动疲劳S-N曲线,并采用SEM,EDS,EPMA等分析方法对扭转微动疲劳的损伤区域进行了分析,建立了扭转微动疲劳混合区接触表面损伤和裂纹萌生及扩展的物理模型,揭示了7075铝合金扭转微动疲劳的损伤机理.试验结果表明:微动作用导致疲劳寿命大大降低;扭转微动疲劳S-N曲线呈"ε"型曲线特征;损伤区靠加载端位置氧化严重,氧化程度随着循环次数增加而增加;微动疲劳的裂纹萌生于次表面,接触区中心两侧主裂纹扩展交叉后垂直于接触表面扩展至试样断裂.     

深水钢悬链线立管疲劳寿命计算方法

基于悬链线理论及立管与海床接触模型,建立了一种估算立管疲劳寿命的方法,模型中考虑了深水浮式平台运动过程中立管悬链线形状的变化及触地区域海床接触刚度大小对疲劳寿命的影响。分析表明:浮式平台的运动会引起立管悬链线形状的改变以及立管内部应力的重新分布,这是引起立管疲劳损坏的主要原因;随着海床土体刚度的增大,立管疲劳寿命逐渐降低,为了获得准确的立管寿命,有必要对海底土体进行更为全面细致的研究。通过与现有分析方法比较,本方法具有计算方便快捷,结果可靠等优点。研究可为钢悬链线立管的设计分析提供一定的参考。