低周-超高周复合循环疲劳实验及寿命模型研究

复合循环疲劳是燃气轮机叶片和压力容器构件广泛存在的一种疲劳破坏形式.本文以不锈钢S310为研究材料,分别进行了低周疲劳实验、超高周疲劳实验、低周-超高周复合循环疲劳实验,并基于疲劳实验结果和损伤累积理论提出了低周-超高周复合循环疲劳寿命预测方法.通过多组数据与多个复合循环疲劳寿命预测模型的对比,发现本文所提模型在复合循...     

基于MEA-BP神经网络的涡轮盘低循环疲劳寿命预测与概率评估

作为航空发动机的关键部件,涡轮盘在高温、高转速的严酷条件下工作．低循环疲劳作为涡轮盘的主要失效模式,对其失效寿命和可靠性有重要影响．涡轮盘的结构复杂性,使得基于仿真数据的疲劳寿命预测和概率评估的难度显著增加,直接使用蒙特·卡罗方法(Monte Carlo Method, MCM)的计算量非常大,而传统响应面法(Response Surface Method, RSM)精度达不到计算要求．鉴于思维进化算法(Mind Evolutionary Algorithm, MEA)优化反向传播(Back Propagation, BP)神经网络的方法具有很强的非线性逼近能力,本文探索MEA-BP神经网络和MCM抽样相结合的方法,开展涡轮盘的低循环疲劳寿命预测与概率评估．与MCM、RSM、BP神经网络法进行对比,验证MEA-BP神经网络的优越性．结果表明,MEA-BP神经网络不但可以满足精度要求,而且可以显著提高计算效率．通过灵敏度分析,得出了影响寿命的主要因素,为涡轮盘可靠性设计提供有效依据．     

Q345低周疲劳性能与疲劳寿命预测分析

本文对结构用钢Q345的低周疲劳性能进行了试验研究。试验在常温下岛津电液伺服疲劳试验机上进行,采用轴向应变控制方法,恒定应变速率为0.005s-1,应变比为-1。试验结果表明,初始阶段,Q345在高应变幅值(0.6%)循环作用下出现循环硬化效应,而在低应变幅值(0.6%)作用下出现循环软化效应;随着加载应变幅的增加,硬化和软化率呈直线上升趋势。Q345疲劳裂纹萌生阶段占其整个寿命的60%以上,其裂纹萌生寿命与应变幅存在幂函数关系。根据Coffin-Manson公式得到了Q345的应变-寿命关系公式;采用能量预测法得到了材料的塑性应变能与疲劳寿命的关系表达式。上述结果对钢结构的设计、评估具有重要的工程应用参考价值。     

航空涡轮盘多轴蠕变-疲劳寿命预测及对比研究

针对几种经典和新发展的蠕变-疲劳寿命模型开展综述介绍,并建立预测航空涡轮盘在循环热-机蠕变-疲劳载荷谱下蠕变-疲劳行为的数值流程,对某型航空涡轮盘的蠕变-疲劳损伤和寿命进行预测和对比．结果表明：等效应变法与临界平面法得出的疲劳损伤差距较小,等效应变法由于数值计算简单,工程适用性更强．寿命-时间分数(TF)法由于无法考虑应力松弛效应,给出了最为保守的蠕变损伤预测,其对盘体应力三轴度引起的损伤不敏感;延性耗竭法(DE)法仅以蠕变应变率作为损伤因素,虽考虑多轴蠕变因子的影响,但是给出的蠕变损伤过小;修正应变能密度耗竭(MSEDE)法综合考虑蠕变应变与应力松弛,并且考虑多轴蠕变因子与弹性跟随效应的影响,结合疲劳损伤模型可以给出合理的蠕变、疲劳损伤比例,其预测结果更加合理．     

大型汽轮机部件低周疲劳安全寿命的设计和评定

文中提出了汽轮机部件低周疲劳安全寿命的设计和评定方法。介绍了汽轮机部件低周疲劳安全寿命的含义和计算方法。该方法以概率论和统计学为基础，把汽轮机部件的低周疲劳寿命处理为随机变量，对低周疲劳试验数据进行统计分析来确定材料低周疲劳寿命的分布参数，使用可靠性理论来确定汽轮机部件的低周疲劳安全寿命。文中给出了低周疲劳寿命服从正态分布和对数正态分布时汽轮机部件低周疲劳安全寿命的计算方法和应用实例。该方法考虑了汽轮机运行参数随机性和材料低周疲劳特性离散性的影响，为汽轮机部件低周疲劳寿命的设计、评定和诊断提供了科学的依据。     

航空发动机涡轮盘裂纹萌生寿命的估算方法

针对航空发动机涡轮盘裂纹萌生寿命的估算问题，给出一个全新的损伤参量。该损伤参量结合了分析多轴疲劳的临界面方法，“应力功”的概念和疲劳破坏的微观机制。依据该损伤参量，利用有限元程序和自编程序计算得出损伤参量和疲劳循环次数的关系，建立以这一损伤参量为基础的疲劳损伤累积模型，进而估算涡轮盘裂纹萌生寿命。     

非对称循环载荷下材料低周疲劳寿命分析与计算

提出了一个用于计算非对称循环载荷下材料低周疲劳寿命的累积损伤模型和方法,该方法利用全应变幅及损伤积累来控制和计算疲劳寿命,并给出了裂纹的开裂尺寸和开裂方向,这为我们进行各种疲劳寿命计算以及结构优化设计提供了一个新的思路和方法。     

低周疲劳随机损伤过程的有限元模拟

讨论了一种低周疲劳下随机损伤演变过程 数值模拟方法，借助于Ｌｅｍａｉｔｒｅ＆Ｄｕｆａｉｌｌｙ给出的代表性体元的微观力学模型，建立了损伤与微裂纹尺寸的关系，采用随机初始损伤反映材料中固的的微缺陷，将所得模型与有限元结合对低周疲劳损伤过程进行了数值模拟。     

比例超载对铝合金圆孔薄板试件低周拉-拉疲劳寿命的影响

对铝合金圆孔薄板试件进行了超载和常辐的对比实验,取六种超载比,对每一超载比各进行了不同超载周次的实验,从这些实验结果看出,对每一超载比,超载试件的疲劳寿命和常辐疲劳试件的寿命比值先是随超载周数的增加而较快的增加,之后在一个相当大的超载周数范围内,超载寿命比的变化不大。当超载周数超过一定值时,超载寿命比随超载周数的增加而略有减少。本文的实验中,在超载60％的情况下,超载周数从20周到90周的范围内,超载试件的平均寿命比常辐疲劳试件的寿命约高3.5倍。     

一个修正的金属材料低周疲劳损伤模型

疲劳破坏是金属最常见的失效形式之一.基于连续损伤力学理论和能量原理,论文提出了一个修正的金属材料低周疲劳损伤演化方程,该方程综合考虑了材料的塑性强化、微裂纹闭合效应等因素对损伤累积的影响.将修正后的损伤演化方程以UMAT子程序的形式导入有限元计算软件ABAQUS之中,建立了疲劳损伤的计算模型,并以铝合金7050-T7451为例对该模型的有效性和适用性进行了验证.     

基于应变能的复杂应力场低周疲劳分析

塑性应变能使材料微观组织结构发生不可逆变化,从而引起等效宏观应力,该应力随循环加载而增大．假定材料疲劳源处破坏是由最大拉应力引起的,最大等效宏观应力与外加应力叠加达到材料本征断裂应力时形成微裂纹．微裂纹引起上述两部分应力变化,继续加载直至宏观裂纹出现,从而得到材料的疲劳寿命．本文所建立的多轴疲劳寿命公式包含材料参数、拉应力以及塑性应变能等,以上数据可通过单轴疲劳数据和有限元方法获得．通过对SM45C材料的计算验证,表明该模型对多轴随机应变加载低周疲劳寿命,具有良好的预测结果．     

混凝土低周疲劳强度衰减及寿命预测方法研究

根据低周疲劳的特点, 对混凝土$S$-$N$曲线进行了适当简化, 在此基础上提出了一种 混凝土低周疲劳强度衰减模型及寿命预测方法, 并通过疲劳试验确定了相关参数. 与实测的 疲劳变形发展过程及Miner准则对比分析得出, 提出的模型及方法适用于混凝土低周疲 劳, 能较好地反映出混凝土的低周疲劳损伤机理.     

CHARACTERISTICS OF FATIGUE SURFACE MICROCRACK GROWTH IN VICINAL INCLUSION FOR POWDER METALLURGY ALLOYS

Inclusion flaw is one of the worst flaws of powder metallurgy. The inclusion flaw plays an important role in the failure of high temperature turbine materials in aircraft components and automotive parts, especially fatigue failure. In this paper, an experimental investigation of fatigue microcrack propagation in the vicinal inclusion were carried out by the servo-hydraulic fatigue test system with scanning electron microscope (SEM). It has been found from the SEM images that the fatigue surface microcrack occurs in the matrix and inclusion. According to the SEM images, the characteristics of fatigue crack initiation and growth in vicinal inclusion for powder metallurgy alloys are analyzed in detail. The effect of the geometrical shape and material type of surface inclusions on the cracking is also discussed with the finite element method (FEM).     

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.      

焊接接头材质和力学非均匀体低周疲劳特性研究

焊接接头是由母材区、热影响区和焊缝组成的材质和力学性质非均匀体,与均匀材料相比,有关非均匀体低周疲劳特性的研究还相当少,许多问题尚未完全搞清.本文通过16MnR压力容器用钢焊接接头的应变控制低周疲劳试验,采用宏观试验与微观分析相结合的方法,考虑了焊接接头材质和力学非均匀性的影响,对其疲劳特性进行了较为深入的研究,得出一些新的十分有意义的结论.     

燃气涡轮发动机关键部件疲劳小裂纹研究进展

疲劳小裂纹扩展作为疲劳开裂过程中的关键阶段之一, 显著影响着材料和结构的疲劳断裂过程. 因具有速率波动和扩展路径偏转等特点, 小裂纹效应给材料和结构疲劳寿命预测结果带来了不确定性, 从而影响燃气涡轮发动机等机械结构的服役安全. 本文围绕燃气涡轮发动机关键部件材料的疲劳小裂纹扩展问题, 首先总结了当前疲劳小裂纹的扩展规律及其对疲劳寿命的影响规律; 其次, 针对先进燃气涡轮发动机关键部件常用的多晶合金和单晶合金, 揭示了疲劳小裂纹的萌生和扩展机理; 再次, 对疲劳小裂纹扩展模型进行了总结, 且指出了各模型的优缺点; 从次, 重点针对先进燃气涡轮发动机热端部件的工作环境, 综述了热腐蚀/氧化介质中的疲劳小裂纹扩展行为和模型; 最后, 对当前疲劳小裂纹相关研究进行了总结, 且结合燃气涡轮发动机领域提出了未来的研究趋势与方向. 本文以期为先进燃气涡轮发动机关键部件的设计、安全评估和寿命预测提供理论知识和科学方法.     

热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和抗腐蚀设计方法

对于沿海地区或海洋环境中使用的航空发动机来说, 由于高温、机械载荷和盐雾环境的共同作用, 热腐蚀疲劳破坏是影响其热端部件服役寿命的主要因素. 本文对热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和防腐蚀设计方法进行了总结、归纳及评述, 提出了未来的研究趋势与发展方向. 首先介绍航空发动机热端部件的热腐蚀疲劳故障案例、损伤演化机理; 其次, 重点分析了低温腐蚀疲劳寿命的唯象模型、损伤力学模型、断裂力学模型以及机器学习模型; 再次, 对几种代表性的考虑腐蚀演化不同阶段的分段式腐蚀疲劳全寿命模型进行综述, 还分析指出了腐蚀疲劳全寿命模型的发展趋势; 从次, 对航空发动机材料选择、零件制造、结构强度设计和外场运行维护不同阶段的抗腐蚀方法进行了综述. 最后, 对增材制造零部件的热腐蚀疲劳问题以及无损检测技术、人工智能等与热腐蚀疲劳研究的结合进行了展望.     

介电高弹体的力−电耦合循环变形和疲劳失效行为研究

介电高弹体的力−电耦合循环变形和疲劳失效行为目前在相关功能器件的设计和寿命评估中得到了越来越多的关注. 因此, 为了促进软体机器人等领域的发展, 文章对介电高弹体的力−电耦合循环变形和疲劳失效行为的实验和理论研究现状进行了较为全面地综述: 首先, 对介电高弹体VHB^TM材料在单一力场和力−电耦合作用下的循环变形行为及其演化特征进行了评述, 重点总结了该材料在循环载荷作用下表现出的循环软化、棘轮行为和疲劳失效行为及其力−电耦合效应; 然后, 对已有的、描述介电高弹体单一力场和力−电耦合变形行为的本构模型进行综述, 评述了已有的超弹性、黏−超弹性和黏−超弹性−塑性本构模型对介电高弹体循环变形行为及其力−电耦合效应的描述能力; 最后, 对介电高弹体的力−电耦合失效行为研究现状进行了评述, 特别关注了介电高弹体在力−电耦合大变形作用下的低周疲劳失效行为. 基于已有研究现状的评述, 文章还对相关领域的未来研究方向进行了展望, 力求促进相关研究领域的发展.     

Fatigue damage accumulation around a notch using a digital image measurement system

A digital image measurement (DIM) system is used to study the plastic damage accumulation around a notch under conditions of low-cycle fatigue. This system incorporates a contrast correlation method to evaluation the level of plastic damage at each point of the studied area from two images acquired before and after the introduction of fatigue deformation. A compact tension specimen of 304 stainless steel with a notch radius of 1 mm is analyzed during the stages of fatigue crack initiation and growth. The results obtained using this measurement system are compared with those attained by means of a recrytallization technique.     

疲劳裂纹扩展随机模型研究近期进展

自1979年Virkler等人发表揭示疲劳裂纹扩展的统计性质的实验结果以来,各国学者相继提出了多个疲劳裂纹扩展的随机模型．本文从数学与物理角度对这些模型作了概括与评述,指出了各个模型之间的关系,并对今后应作的进一步研究提出了我们的看法．