海上固定式导管架平台疲劳寿命评估及程序系统

本文使用疲劳分析与断裂力为结合的方法，对海上固定式导管架平台结构的疲劳裂纹，从形成到扩展至其损伤容限或贯穿管壁厚的整个过程，进行了分析评估。在４８６微机上构造了一个计算机分析程序系统，该系统除了具有通常的平台静，动强度计算外，可对平台的疲劳寿命，剩余寿命进行计算，当与平台在线裂纹监测系统组合后，可实施对平台结构剩余服役寿命的适时预报。     

一种经验型疲劳小裂纹扩展模型

金属材料疲劳寿命由裂纹萌生和裂纹扩展寿命两部分组成,其中对于萌生寿命中的小裂纹分析是精确描述裂纹萌生寿命的关键．而小裂纹在扩展过程中由于尺寸相对较小,导致传统线弹性断裂力学预测方法失效,需要对其进行改进,考虑裂纹尖端塑性区引起的残余压应力对小裂纹扩展速度的影响．本文针对此问题进行了初步分析,通过对塑性区引起的残余应力的量化,结合小裂纹门槛值特性,提出了一种经验型修正的小裂纹扩展模型,用于定量预测裂纹的萌生寿命．使用铝合金6082-T6缺口试样进行了疲劳实验,并与理论结果进行了对比,验证了所提模型的有效性．     

沥青混合料疲劳过程的损伤力学分析

采用损伤力学方法研究沥青混合料的疲劳失效问题。针对悬壁梁弯曲疲劳试件,推导出疲劳过程中应力场、损伤场和疲劳裂纹形成寿命的工程封闭公式。根据沥青混合料特点,提出一种模拟疲劳裂纹扩展的特征单元失效模式,从而将疲劳裂纹形成与扩展两个阶段统一用损伤力学理论进行描述和分析。本文对沥青混合料试件的疲劳裂纹形成寿命与扩展寿命分段进行了预测,还对疲劳过程中刚度衰减及位移幅值的演化过程进行了数值模拟计算。理论预期与实验结果吻合良好。     

基于反向传播神经网络的疲劳裂纹扩展分析

材料发生疲劳断裂时往往会引起重大安全事故,而基于传统数值模拟方法求解疲劳裂纹扩展问题时模 型复杂、计算量大．本文基于包含多隐层的反向传播神经网络分析金属材料疲劳裂纹扩展行为,计算了裂纹扩 展过程中的 von Mises应力场和位移场,并与数值解和实验解进行对比,误差分析结果表明其求解精度高．并 基于该神经网络有效预测了裂纹扩展中裂纹长度及裂纹扩展速率的变化过程,预测精度高．该神经网络分析方 法可为材料剩余寿命和疲劳强度预测提供研究基础．     

扩展有限元法在结构件疲劳寿命估算中的应用

为了高效、准确估算飞机典型结构件的疲劳扩展寿命,基于通用有限元分析软件ABAQUS的扩展有限元功能计算应力强度因子,采用NASGRO方程计算疲劳裂纹扩展速率。为了避免大量重复提交运算的繁琐过程,应用PYTHON语言开发了在ABAQUS疲劳裂纹扩展分析中反复调用扩展有限元结果和NASGRO方程的子程序,在指定的疲劳裂纹扩展路径上实现了对飞机连接件疲劳裂纹扩展速率与寿命的计算。结果表明,模拟的疲劳裂纹稳定扩展阶段的寿命曲线与实验结果吻合较好,疲劳寿命误差约为10%。     

基于裂纹扩展的疲劳-蠕变寿命预测

为了提高疲劳-蠕变寿命的预测精度,首次从裂纹扩展角度出发引入有效应变能密度增量,利用应力-应变迟滞回线所围图形的正值面积对其进行了定义和计算。计算表明,有效应变能密度增量与加载的应力、速率、保载时间、材料性质及疲劳-蠕变的速率相关,且随压应力增加而增大。通过将有效应变能密度增量与裂纹的长度之积定义为裂纹扩展的控制参量,建立了疲劳-蠕变下的裂纹扩展速率方程,并由此导出了疲劳-蠕变寿命与有效应变能密度增量之间的关系式。该式中的疲劳与蠕变有效应变能密度增量交叉项恰好反映了疲劳与蠕变的交互作用。最后,采用该式对1.25Cr0.5Mo钢在540℃时不同应力控制下的疲劳-蠕变寿命进行了预测,发现83.3%的预测值在实验值的1.3倍分散带以内,预测结果良好。     

CrMoW转子钢高温超高周裂纹扩展及疲劳行为研究

本文研究了超超临界汽轮机CrMoW转子钢在常温与600℃条件下的超高周旋转弯曲疲劳行为。实验中利用位移传感器原位监测试件挠度变化,研究裂纹的萌生与扩展特性。研究结果发现,在常温下,疲劳裂纹主要萌生于试样表面,但也发现超高周次疲劳破坏的裂纹萌生于内部的情形。600℃时,S-N曲线呈现直线下降的趋势;大多试样裂纹萌生区和初始扩展区发现非金属夹杂物,其裂纹萌生是表面裂纹起源和亚表面夹杂物相耦合的结果。裂纹萌生寿命占整个疲劳寿命的90%以上,裂纹萌生寿命百分比(Ni/Nf)随疲劳寿命的延长而增大,并且温度对裂纹萌生寿命百分比没有影响。     

含广布腐蚀坑结构寿命评估方法

为了定量评估含广布腐蚀损伤老龄化飞机结构的剩余强度, 采用等效裂纹方法将腐蚀坑沿垂 直于外界最大主应力方向进行投影处理, 使其转化为具有相同寿命的等效初始表面裂纹, 然 后采用参数化有限元方法,求解等效裂纹前沿的应力强度因子、裂纹扩展方向和裂纹扩展增量, 建立并应用应力强度因子变化历程, 采用循环接循环的损伤累积方法对含广布等效表面裂纹 在疲劳载荷作用下的寿命进行了预测. 预测结果为复杂环境中含广布腐蚀坑的飞机结构寿命 预测提供了参考.     

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.     

飞机谱载下铝合金锪窝孔结构腐蚀疲劳研究

通过战斗机谱载下7475—T761铝合金紧固孔试件空气与3．5％NaCl环境中的疲劳试验和断口分析，得到了相应结构疲劳全寿命和孔边角裂纹的裂纹长度-寿命数据．通过三维有限元分析得到了孔边角裂纹的应力强度因子．采用我们新近发展的三维疲劳寿命分析软件，基于材料裂纹扩展基准曲线和一组直通孔实验数据，对锪窝孔结构角裂纹的疲劳和腐蚀疲劳扩展寿命进行了预测．结果表明，提出的基于三维断裂力学的寿命预测方法和软件对复杂结构的全寿命有精确的预测能力，比传统的局部应变法优越，可适用于复杂环境下三维结构的疲劳寿命分析．     

一种疲劳缺口系数计算新方法

针对Mod.9Cr-1Mo铁素体钢锐缺口件进行了一系列非比例载荷低周疲劳试验,采用直流电位差法测量裂纹萌生寿命,比较了非比例路径对疲劳裂纹萌生寿命的影响。结果表明:缺口件裂纹萌生寿命占总寿命的比例与非比例路径直接相关;随着非比例度增加,裂纹萌生寿命所占比例增加。采用Neuber律和Peterson模型进行缺口局部应力应变损伤的计算,结合Smith-WatsonTopper(SWT)模型进行疲劳寿命预测。采用Neuber律并结合SWT模型预测的结果与实际结果相比普遍偏低,采用Peterson模型预测的结果与实际结果相比偏高,与本文结果相比预测结果较高。基于应变路径非比例度的概念,针对Peterson模型进行修正,提出了一种新的疲劳缺口系数计算方法,结合SWT模型进行了疲劳寿命预测。结果表明,该方法改善了非比例路径下的疲劳寿命预测结果,大部分预测结果位于2倍分散带内。     

轨道车辆空气弹簧疲劳分析

利用基于开裂能理论的疲劳分析方法对空气弹簧进行寿命评估. 借助有限元技术对带有附加气室的空气弹簧系统进行仿真, 提取空气弹簧胶囊每个单元中心的应变历程, 将应变历程代入开裂能计算公式计算每个单元中心所有可能开裂平面的开裂能峰值, 再利用开裂能峰值计算撕裂能峰值, 进而计算对应的等效撕裂能, 最后利用等效撕裂能计算每个单元中心所有可能开裂平面的裂纹扩展速率和对应的疲劳寿命. 将疲劳预测寿命与实验寿命进行比较, 结果表明疲劳预测寿命是实验寿命的1.91 倍, 验证了疲劳仿真模型和方法的可靠性.     

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。     

大气预腐蚀下ER8C车轮钢的疲劳寿命评估

随着高速列车车轮服役里程的增加，车轮辐板持续遭受潮湿大气甚至海洋大气环境的考验，点蚀成为车轮失效的主要原因之一.论文首先在大气自然环境下对ER8C车轮钢高周疲劳试样开展为期180天的曝晒(预腐蚀)试验，随后进行表面形貌和疲劳性能表征.结果表明，预腐蚀后车轮钢的疲劳极限为387 MPa,相比光滑试样下降12%;这主要是由于预腐蚀造成的腐蚀坑使试样表面局部应力集中，加速了疲劳裂纹萌生.采用激光共聚焦显微镜统计预腐蚀试样表面蚀坑尺寸，使用由均值蚀坑尺寸计算得到等效初始缺陷尺寸(EIFS),对预腐蚀车轮钢试样的疲劳寿命进行预测，避免腐蚀疲劳裂纹萌生以及短裂纹扩展对疲劳寿命预测的影响；预测结果与实验结果较为符合，证明了该方法的可行性.论文的主要结论是，通过统计试样表面蚀坑尺寸的均值来获得EIFS的方法，可以计算得到大气预腐蚀后车轮钢的剩余寿命，这验证了EIFS方法在大气预腐蚀下材料疲劳寿命研究中的适用性.     

含缺口试件疲劳全寿命预测一种建议的方法

传统的研究含缺口构件的疲劳的方法是将疲劳启裂和疲劳裂纹扩展两个过程完全独立起来,用不同的方法来模拟,相互间并没有定量的关系。本文是基于最新发展的多轴疲劳损伤理论,建立了一种适用于各种载荷条件下的疲劳启裂和裂纹扩展的普适方法。根据从弹塑性分析中得到的应力应变,确定疲劳损伤模型,建立能够预测疲劳启裂、裂纹扩展速率和扩展方向的新方法。整个模拟可以分为两步:弹-塑性应力分析得到材料的应力应变分布;再运用一个通用的疲劳准则预测疲劳裂纹启裂和裂纹扩展。通过对1070号钢含缺口试件的疲劳全寿命预测,得到了与实验非常吻合的模拟结果。     

考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测研究

微动疲劳是矿井提升钢丝绳主要失效形式之一,在钢丝微动疲劳过程中,微动磨损严重影响钢丝微动疲劳裂纹扩展特性,进而制约钢丝微动疲劳断裂机制,故开展考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测研究至关重要. 运用自制钢丝微动疲劳试验机开展钢丝微动疲劳试验和拉伸断裂试验,通过高速度数码显微系统揭示微动疲劳过程中钢丝微动磨损演化、裂纹萌生和扩展及断裂特性,基于摩擦学和断裂力学理论,运用有限元法、循环迭代法和虚拟裂纹闭合技术建立了考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测模型,并进行试验验证. 结果表明:采用微动疲劳过程稳定阶段磨损系数预测钢丝微动磨损演化可保证预测正确性,微动疲劳过程中钢丝主要为I型裂纹扩展模式,考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测值和试验值吻合较好,验证了预测模型正确性.      

CTS试件中复合型疲劳裂纹扩展

针对复合型循环载荷作用下的金属构件中的裂纹扩展问题进行了实验分析和理论建模. 首先 采用紧凑拉剪试件(CTS)和 Richard研制的复合型载荷加载装置，对承受复合型循环载荷的裂纹进行了实验研究. 实验选择了两种金属材料试件，分别承受3种形式的复合型循环载荷的作用，在裂纹尖端具 有相同的初始应力场强度的条件下考察复合型循环载荷对裂纹扩展规律的影响. 实验结果表明，疲劳裂纹的扩展速率与加载角度有关. 对于同样金属材料的试件，当裂尖处 初始应力场强度相等时，载荷越接近于II型，裂纹增长速率越快. 采用等效应力强度 因子(I型和II型应力强度因子的组合)、裂纹扩展速率及复合强度等参数，以实验数据为 基础，建立了一个疲劳裂纹扩展模型，用来预测裂纹在不同模式疲劳载荷作用下的扩展速率. 为验证其有效性，该模型被应用于钢制试件的数值模拟计算中. 实验结果与模拟计算曲线保 持一致，表明该模型可以用来估算带裂纹金属构件的寿命.     

基于粒子滤波的烧结钕铁硼材料疲劳破坏预测方法研究

针对烧结钕铁硼在服役期间产生疲劳破坏过程的突发性和不确定性,提出了一种粒子滤波与微磁监测方法相融合的疲劳破坏预测方法。通过将烧结钕铁硼的力磁耦合模型引入粒子滤波理论框架中,设计了基于相对磁导率的粒子滤波状态方程,并采用构建的微磁监测系统来获取烧结钕铁硼疲劳破坏过程中不断变化的磁感应强度信号,建立了基于磁感应强度的粒子滤波观测方程。进一步地,将状态方程和观测方程联立,实现了基于粒子滤波方法的烧结钕铁硼疲劳破坏预测过程。试验结果表明:粒子滤波方法对于烧结钕铁硼疲劳破坏演变过程的预测具有良好的可靠性和准确性,其中在疲劳载荷为120MPa时粒子滤波预测结果的RMSE（Root Mean Square Error,均方根误差）仅为76.69,是支持向量机预测结果的1/4。本研究为脆性磁体的疲劳损伤预测提供了新的思路。     

一种考虑拉伸保持效应的多轴疲劳寿命模型

通过定义考虑拉伸保载效应的CFI因子(creep-fatigue interaction factor),将拉伸蠕变损伤和疲劳损伤进行非线性耦合. 根据断裂实验的观察,针对拉伸主 导的裂纹萌生、扩展及破坏的多轴疲劳问题,给出了一个基于临界面方法的能量型高温多轴 疲劳寿命预测模型. 所给出的模型可对不同温度、不同载荷特点、不同保载时间的多轴疲劳 寿命进行预测,模型的材料参数不依赖于温度和载荷. 并且此方法可以很方便地推广到其它 因素主导破坏的高温多轴疲劳寿命预测. 通过拟合高温合金Udimet720Li单轴带保持时间的 低循环疲劳(low cycle fatigue, LCF)寿命试验数据,得到了材料常数. 结合黏 塑性有限元分析方法,对高温双轴带保载循环载荷下Cruciform试件的寿命进行了 预测,预测结果基本落在2倍分散带内,达到工程的要求,证明了该模型的有效性.     

任意分布参数疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析

针对工程中疲劳裂纹扩展过程带有很大的随机性,采用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.裂纹扩展方向采用最大周向应力准则.在此基础上,以材料属性和载荷为随机变量,用随机有限元法结合计算可靠度的四阶矩法,分析了分布参数为任意分布时的疲劳裂纹扩展寿命可靠度对极限寿命的变化规律.通过算例说明本文方法的结果与Monte-Carlo Simulation的结果误差很小,对疲劳设计有一定的指导意义.