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。     

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。     

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。     

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。     

随机超载对疲劳裂纹扩展迟滞效应的模拟

考虑超载的迟滞效应,对随机超载作用下的疲劳裂纹扩展进行了模拟计算．载荷谱为在基本恒幅循环载荷基础上加入一以泊松流发生的随机超载序列,超载的大小为均匀分布．采用裂纹闭合模型考虑超载的迟滞效应,认为裂纹张开应力在超载引起的塑性区内按线性规律衰减．循环续循环模拟计算出裂纹从初始长度一直到疲劳破坏的扩展曲线．据此,计算了各种超载发生强度和大小下的疲劳裂纹扩展寿命的平均值与标准差。     

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。      

基于多因素的焊接结构疲劳裂纹扩展速率分析

以Donahue等提出的疲劳裂纹扩展速率计算模型为基础,通过引入形状系数、张开比和残余应力等参数,建立了适用于焊接结构的疲劳裂纹扩展速率计算模型,分析了多种因素对焊接结构疲劳裂纹扩展速率的影响规律。结果表明,焊板厚度和焊缝余高的变化均会对焊接结构疲劳裂纹的扩展速率产生影响,在对焊接结构表面形状进行设计时应保有一定的焊缝余高;有效应力比的增大会降低焊接结构疲劳裂纹的扩展速率,且裂纹深度的变化不会改变有效应力比对焊接结构疲劳裂纹扩展速率的影响;残余应力的增大会提高焊接结构疲劳裂纹的扩展速率,且残余应力对疲劳裂纹扩展速率的促进作用随着裂纹深度的增加而增大,在对焊接结构的疲劳性能进行设计时须考虑残余应力对结构性能的影响。     

谱载荷下疲劳裂纹扩展随机规律的实验研究

简要介绍了谱载荷下疲劳裂纹扩展试验的理论基础、方法和过程。讨论了各种数据处理方法对参数估计的影响,研究了疲劳裂纹扩展的随机规律。由试验得到的疲劳裂纹扩展试验数据估计了裂纹扩展方程的参数,计算出结构可靠度曲线,通过对试验结果的分析难证了以下结论：以时间为参量的裂纹扩展随机过程模型和以裂纹长度为参量的模型在一定条件下是统一的;数据处理方法的选择与可靠性分析的结果有密切的联系;裂纹扩展寿命受裂纹扩展队机     

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.     

表面裂纹疲劳扩展的数值模拟(Ⅱ)

根据Paris疲劳裂纹扩展规律,对拉伸和纯弯曲疲劳载荷下表面裂纹扩展进行了数值模拟。数值模型中,用三次样条函数曲线拟合裂纹尖端,在裂纹扩展增量计算中考虑了裂纹闭合影响。裂纹形状演化的模拟结果与Newman和Raju经验公式预测结果进行了比较,表明了所采用的数值模拟方法的实用性。研究发现,裂纹闭合对疲劳裂纹扩展过程中的裂纹形状演化以及裂纹尖端的应力强度因子(SIF)分布都有明显影响。同裂纹形状演化一样,疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的SIF分布表现出明显的特征。最后,建议了一个简单函数来统一描述表面裂纹尖端的SIF分布。     

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。     

随机超载下疲劳裂纹扩展寿命的计算

针对在基本循环载荷上加入随机超载序列的疲劳裂纹扩展问题，应用裂纹闭合的概念考虑超载的迟滞效应，将延迟时间描述成纯离散型马尔可夫过程。对相应的柯尔莫哥洛夫－费勒微积分方程进行了分步求解，结合疲劳断裂分别出现在基本循环峰载作用时和超载作用时两种情况，计算出不同可靠度下裂纹的扩展寿命，并研究了超载大小和发生强度对扩展寿命的影响。     

Stratified model for estimating fatigue crack growth rate of metallic materials

Introduction Thefatiguedestructionisoneofthemaintypesofthemetaldamage.Therelationcurve betweenthefatiguecrackgrowthrateda/dNandthestressstrengthfactoramplitudeΔKisthe importantdatiumoffatiguecapabilityindesigningthemetaldamagetolerantlimitsandpredicting thelifeofmetalcomponentparts.Duetovariabilityofthefatiguecrackgrowthrate,alarge amountoftestsamplesareusuallyrequiredtoderiveahighlyreliableda/dN_ΔKcurve. However,inmostactualengineeringpractice,itishardtofindmultiplespecimenswithvery simil…     

基于局域分析的疲劳短裂纹群体演化随机模型

采用局域裂纹数密度描述金属材料中不同局部区域的疲劳短裂纹群体损伤的发展情况通过考虑在不同局域存在的材料性质的随机涨落及局部损伤对损伤总量发展的影响，建立了局域裂纹数密度演化随机方程对方程数值求解从而模拟了材料的疲劳短裂纹损伤过程结果显示出主裂纹出现的随机性，并讨论了裂纹总数与最大裂纹尺度在统计意义上的演化特征     

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、扩展分界工程小裂纹长度的基础上，整理得到了裂纹形成，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．     

Stochastic modelling of crack growth based on damage accumulation

The growth rate of a fatigue crack is modelled from a damage accumulation standpoint. The material ahead of the crack-tip is considered to be composed of assembly of uniaxial fatigue elements which accumulate damage per load cycle. Each element is subjected to increased levels of stress and strain ranges as the crack propagates. A linearly accumulated damage criterion is assumed, and failure of an element indicates a void initiation at its position. Both deterministic and stochastic analyses are included. The historical damage of the material before it reaches the crack tip vicinity is quantified and is shown to be significant for the first few elements. The predicted results agree fairly well with the experimental data.