发动机薄壁盘类零件振动疲劳试验技术研究

以某发动机薄壁盘类零件为例,采用分析与试验相结合的方法进行了薄壁盘类零件振动疲劳试验方案设计与调试,验证了分析与试验方法的可靠性。并在此基础上,采用共振驻留控制方式进行了振动疲劳正式试验,获取了振动疲劳试验过程中的相关物理参数的变化规律,包括共振频率和等效应力与激振加速度量值及循环数之间的关系,并且验证了高温合金材料在高周振动疲劳服役中的材料硬化等性能,最后得到了该薄壁零件的疲劳寿命。所提出的试验设计方法、试验方法及得出的结论可为发动机薄壁盘类零件振动疲劳性能考核验证及强度性能评估提供一定的参考。     

基于数据驱动的增材制造铝合金的疲劳寿命预测

增材制造金属材料的疲劳损伤及寿命预测问题是当前研究的热点.论文以增材制造AlSi10Mg为典型应用对象,采用数据驱动方法开展疲劳寿命预测,考虑到其疲劳试验数据有限,采用经过试验验证的可靠的理论模型和数值计算方法来获取足够的疲劳数据,以弥补试验数据的不足.首先,提出了基于缺陷特征参数的疲劳损伤模型,其次,建立了理论模型的数值实现方法,并将数值计算结果与试验结果进行对比,验证了所提方法的可靠性.然后,开展数据驱动模型的训练与预测,采用K最近邻的数据驱动算法预测了增材制造AlSi10Mg的疲劳寿命,最后,深入分析了疲劳寿命随增材制造内部缺陷、疲劳载荷的变化规律,研究了数据驱动模型的训练数据量及模型参数对预测精度的影响.     

基于损伤力学方法的铆接结构疲劳寿命预估

将损伤力学-有限元方法应用于飞机结构疲劳寿命预估中,对机翼蒙皮压窝形式的铆接结构进行了寿命计算和分析,得到了结构的疲劳寿命和疲劳损伤演化过程,并对铆接试验件进行了疲劳试验,将损伤力学方法的预测结果与试验结果进行了比较。分析结果反映出结构疲劳损伤累积初期较为缓慢、后期速率急剧上升的过程,符合损伤演化规律。在180MPa载荷水平下,计算寿命与试验平均寿命的相对误差为11.3%,满足工程精度要求。从而验证了损伤力学方法应用于实际工程结构寿命预测的可行性和可靠性。     

二级加载下疲劳可靠性分析

基于二维概率Miner准则,建立了在二级变幅加载下进行疲劳可靠性分析的系统方法并采用八组较大子样的二级低高和高低加载下的试验数据进行了验证、结果表明;本文方法初步实现了对第一级加载后的剩余疲劳寿命和二级加载下的疲劳总寿命进行较为准确的可靠性预测,预测值与试验值吻合良好     

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。     

基于抗压强度推测的水工混凝土疲劳残余应变研究

提出一种使用混凝土破坏前的应力应变发展曲线, 来推求混凝土抗压强度和 峰值应变的方法. 经过试验验证, 该方法具有较高的精度, 并可以得到疲劳试 验时真实的应力水平. 在MTS 810 TestStar材料试验系统上对C15水工混凝土开 展了受压疲劳试验. 通过试验数据分析, 得到疲劳残余应变发展规律公式、疲劳 失稳判据、疲劳寿命估算式及疲劳强度等, 对水工建筑物 的疲劳损伤分析与评定具有指导意义.     

建立P-S-N曲线的双加权最小二乘法

为充分利用成组疲劳试验数据和疲劳强度试验数据,获得较高精度的P-S-N曲线,提出了一种建立P-S-N曲线的双加权最小二乘法。该方法充分考虑了疲劳试验方法、疲劳试验数据分散性和试件样本容量对P-S-N曲线建立的影响,构建了不同来源误差的分配模型。它首先利用疲劳试验的最小样本容量判据处理成组试验数据,导出试验数据分布p分位点的置信区间长度,并进行第一次加权拟合。再结合疲劳强度试验数据,进行第二次加权拟合,推导出了任意可靠度下的P-S-N曲线。作者对17组金属材料和PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材料进行了统计分析以验证所建立的P-S-N曲线的拟合能力、合理性和预测精度,结果表明建立的P-S-N曲线具有较高的精度和可信度。     

基于Hopkinson杆的恒幅冲击疲劳试验方法研究

在航空、航天、武器和能源等领域的结构件经常会受到小载荷(小能量)的重复冲击,不同于大能量的单次冲断和常规准静态疲劳,这种载荷形式被称为冲击疲劳.冲击疲劳性能的评估需要依赖科学有效的冲击疲劳试验结果.多年来,受到基于能量法的冲击疲劳试验方法的限制,冲击疲劳试验结果在结构设计和性能评估方面的工业应用十分有限.因此,本文首先基于对冲击疲劳试验方法的发展历程的简要回顾,肯定了基于Hopkinson杆原理的应力波法的优越性,明确了冲击疲劳试验中普遍存在的非恒幅加载的问题.同时,提出了几种基于Hopkinson杆原理的冲击疲劳加载技术,并通过试验验证技术的可行性,重点关注是否存在二次加载引起的非恒幅加载问题.最后,采用经典的分离式Hopkinson压杆技术开发了一套可实现恒幅加载的动态剪切疲劳试验方法,实现了对TC4钛合金的冲击疲劳性能测试,从而验证了新方法的有效性和可行性.     

考虑孔洞影响的铸造镁合金ZM6疲劳寿命预估方法

铸造镁合金ZM6是一种应用于直升机减速器机匣制造的典型材料。然而,在铸造过程中产生的内部缺陷对材料的疲劳性能有显著影响。本文研究了含内部孔洞缺陷ZM6材料的疲劳损伤模型和寿命预估方法。首先,采用X射线断层扫描技术,对三个批次毛坯料制成的试验件进行扫描观察,获得了试验件内部孔洞的分布特征。进而,对48件试验件进行了两种应力比下多级应力水平的疲劳试验,获得了各批次试验件寿命结果,并通过观察与分析,得出了孔隙率和近表面较大孔洞为影响试验件疲劳寿命的两个关键因素。然后,基于损伤力学理论提出了通过材料初始弹性模量和等效孔洞局部应力应变场来分别反映孔隙率和近表面较大孔洞影响的疲劳损伤模型和寿命计算方法,并结合ABAQUS软件平台实现了含孔洞试验件的疲劳损伤计算和寿命计算。最后,采用所提理论模型和计算方法给出了试验件的疲劳寿命预测结果,并与试验结果进行了不同维度的对比,验证了所提模型与方法的有效性和适用性。     

军机DFR方法在钛合金电子束横焊缝结构上的应用验证

为在飞机结构设计阶段进行钛合金焊接件的疲劳强度评估,采用军机DFR方法进行了TC4-DT钛合金电子束横焊缝试件的疲劳分析,并对其进行了试验验证。首先,进行了TC4-DT钛合金电子束横焊缝试件的DFR基准值测试,得到DFR基准值为470MPa;其次,为了验证军机DFR方法分析结果的可靠性,进行了TC4-DT钛合金电子束横焊缝试件在随机谱下的成组疲劳试验,采用断口判读技术确定裂纹萌生寿命,得到了随机谱下的试验中值寿命;最后,利用测得的DFR基准值,采用军机DFR方法评估得到随机谱下成组试验的试验件中值寿命以及对应试验中值寿命的应力水平。对比分析结果表明:分析寿命比试验寿命低10%,分析的应力水平比试验应力水平低3%。此结果表明军机DFR方法略偏保守,与DFR方法计算结果偏保守的特征一致,也验证了军机DFR方法在TC4-DT钛合金电子束焊接件上应用的可行性。     

An Energy Based Fatigue Life Prediction Framework for In-Service Structural Components

An energy based fatigue life prediction framework has been developed for calculation of remaining fatigue life of in service gas turbine materials. The purpose of the life prediction framework is to account aging effect caused by cyclic loadings on fatigue strength of gas turbine engines structural components which are usually designed for very long life. Previous studies indicate the total strain energy dissipated during a monotonic fracture process and a cyclic process is a material property that can be determined by measuring the area underneath the monotonic true stress-strain curve and the sum of the area within each hysteresis loop in the cyclic process, respectively. The energy-based fatigue life prediction framework consists of the following entities: (1) development of a testing procedure to achieve plastic energy dissipation per life cycle and (2) incorporation of an energy-based fatigue life calculation scheme to determine the remaining fatigue life of in-service gas turbine materials. The accuracy of the remaining fatigue life prediction method was verified by comparison between model approximation and experimental results of Aluminum 6061-T6. The comparison shows promising agreement, thus validating the capability of the framework to produce accurate fatigue life prediction.     

基于疲劳传感器的大型桥梁载荷谱检测研究

提出基于同一倍增器上双疲劳计的桥梁载荷谱检测方法,将疲劳传感器上两个疲劳计以不同方向粘贴得到不同放大系数,由恒幅标定数据和等效原理用插值方法得到复杂加载下疲劳响应计算方法,并根据桥梁载荷谱的瑞利分布特点,得到该分布下的疲劳响应计算方法.采用倍增器的双疲劳计结构设计,利用疲劳计响应的非线性特性,得到疲劳传感器电阻变化与桥梁瑞利载荷谱的对应关系.本文疲劳试验表明,试验载荷谱与预测载荷谱相当吻合,所设计的疲劳传感器性能良好,能够满足桥梁疲劳载荷检测要求.该传感器的检测原理提供了一种新的工程疲劳检测方法,它较目前采用的其它方法效率高、精度好,适用于长期疲劳监测.     

A new distortion energy-based equivalent stress for multiaxial fatigue life prediction

A new equivalent stress amplitude expression has been developed for the assessment of fatigue life in components under multiaxial loading. The expression was generated by incorporating non-linear/plastic stress–strain relation into a mechanical energy calculation, and then applying the calculation to the distortion energy theory for a cyclic loading case. Therefore, the new uniaxial equivalent stress expression determines an appropriate stress amplitude value for multiaxial cyclic loading. The purpose of the equivalent stress value is to determine multiaxial fatigue failure using an energy-based fatigue life prediction criterion. The governing understanding behind the criterion states that the physical damage quantity for failure is equal to the accumulated strain energy in a monotonic fracture, which is also equal to the accumulated strain energy during fatigue failure. Using the new equivalent stress amplitude expression and the energy-based life prediction method, a comparison is made between prediction results and multiaxial empirical data. The multiaxial data was acquired by a vibration-based biaxial bending fatigue test and a torsion fatigue test with an assumed axial misalignment. The results of the comparison provide encouragement regarding the capability of the newly developed equivalent stress amplitude expression for fatigue life prediction.     

FATIGUE LIFE PREDICTION OF SUS 630 （H900） STEEL UNDER HIGH CYCLE LOADING

The fatigue life prediction of high strength steel SUS 630 （H900） under high cycle loading is conducted with consideration of a characteristic fatigue length of material. Based on the WShler curve of smooth materials, a modified method for fatigue life prediction is approached. The characteristic fatigue length of material under cyclic loading is associated with the polycrystalline material. Rather than the stress at a point, the average stress within the characteristic fatigue length is implemented for the fatigue life prediction. The method can be applied to both the smooth and the defected material. The fatigue life prediction is also verified experimentally by specimens with various small circular holes. Through the comparison, it is found that the method can be adopted to predict the fatigue lives with different size effects.     

一种考虑非比例附加损伤的多轴低周疲劳模型

在实际工作环境中,机械结构往往承受着多轴非比例循环载荷.相比多轴比例循环加载,多轴非比例循环加载由于产生了附加强化现象,造成机械结构疲劳寿命下降.通过分析薄壁圆筒管件在非比例加载工况下应力应变变化规律和发生破坏位置,本文基于临界面法提出一种考虑多轴非比例附加损伤的疲劳模型.该模型将最大剪切应变幅平面作为临界面,提出一个新的附加强化因子,结合临界面上切应变幅和正应变幅组成新的多轴疲劳损伤参量.此参量不仅考虑了非比例加载下临界面上正应变幅和切应变幅对材料造成的疲劳损伤,还考虑到应变路径的变化和材料非比例加载敏感特性对材料疲劳寿命的影响.考虑到实际情况下模型所需材料附加强化系数有时难以获得的情况,给出了材料附加强化系数的有关近似计算公式.只需要材料基本力学参数便可得到材料附加强化系数,方便工程实际应用.采用8种材料的多轴疲劳寿命数据对提出的新模型进行检验,结果表明所提出的新模型与传统多轴疲劳模型相比预测寿命精度更高.      

金属结构材料腐蚀疲劳寿命预测模型的研究进展

腐蚀疲劳是工业装备的主要失效模式之一.随着新技术的不断发展,航空航天、轨道交通、海洋设施等重大装备向着高可靠性、长寿命及智能化方向发展,亟需准确、高效的腐蚀疲劳寿命预测方法.论文对金属材料的腐蚀疲劳损伤机理进行了简要总结并对寿命预测模型进行了系统归纳与评述,提出未来的研究趋势与方向.具体地,首先介绍了腐蚀坑的萌生和生长、裂纹萌生及扩展的机理;其次总结了预腐蚀疲劳的断裂力学及损伤力学寿命预测模型,再次归纳了腐蚀疲劳的断裂力学、损伤力学及数据驱动寿命预测模型;进一步地,综合概括了现有寿命预测模型的优点和不足;最后,基于当前的研究指出未来可能的发展方向,一方面可以借助三维成像技术实现蚀坑向裂纹转变阶段和短裂纹扩展阶段的可视化研究,以改进现有的断裂力学模型;另一方面可以建立新型的多尺度多阶段寿命预测模型或利用新兴的数据驱动-物理融合方法实现腐蚀疲劳寿命预测.     

谐振载荷作用下工程结构振动疲劳寿命预估的损伤力学-有限元法

建立了预估谐振载荷作用下结构振动疲劳寿命的损伤力学-有限元方法。首先根据损伤热力学原理,构建了损伤演化方程,建立光滑试件在恒幅应变交变载荷作用下寿命预估方法;进一步由损伤力学守恒积分原理,得到恒幅重复载荷作用下应力与寿命的关系式;然后根据标准件疲劳试验结果,拟合得到损伤演化方程中的材质参数;最后利用APDL语言编程对ANSYS软件进行了二次开发,借助ANSYS软件对谐振载荷作用下结构振动疲劳裂纹萌生寿命进行预估。作为算例,本文利用该方法预估了LC9CgS1铝合金梁谐振载荷作用下疲劳裂纹萌生寿命。     

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．     

Revised damage evolution equation for high cycle fatigue life prediction of aluminum alloy LC4 under uniaxial loading

The fatigue life prediction for components is a difficult task since many factors can affect the final fatigue life. Based on the damage evolution equation of Lemaitre and Desmorat, a revised two-scale damage evolution equation for high cycle fatigue is presented according to the experimental data, in which factors such as the stress amplitude and mean stress are taken into account. Then, a method is proposed to obtain the material parameters of the revised equation from the present fatigue experimental data. Finally, with the utilization of the ANSYS parametric design language (APDL) on the ANSYS platform, the coupling effect between the fatigue damage of materials and the stress distribution in structures is taken into account, and the fatigue life of specimens is predicted. The outcome shows that the numerical prediction is in accord with the experimental results, indicating that the revised two-scale damage evolution model can be well applied for the high cycle fatigue life prediction under uniaxial loading.     

考虑非比例附加损伤的多轴低周疲劳寿命模型

基于临界面法, 提出了一种能够反映非比例疲劳寿命锐减现象的多轴低周疲劳寿命模型. 与传统临界面模型只考虑附加强化效果不同, 新的模型在疲劳损伤参量中引入新定义的非比例附加损伤系数, 能综合考虑非比例加载条件下附加强化和载荷路径两种因素对疲劳寿命减少的影响, 并且分别以最大切应变和最大损伤平面作为临界面来构建疲劳损伤参量, 反映了临界面的选取对模型预测结果的重要影响. 从已发表文献中选用8 种材料的多轴疲劳试验结果进行验证, 新模型能同时适用于比例和非比例加载, 并且具有很好的寿命预测精度和材料适用性.