超声疲劳载荷下球墨铸铁裂纹扩展速率研究

论文采用超声疲劳试验技术测试了发动机曲轴用球墨铸铁的超高周疲劳强度及超声疲劳载荷下的裂纹扩展速率.考虑高频载荷下疲劳裂纹扩展过程中的温升效应,测试了球墨铸铁超声疲劳裂纹扩展过程中的温度变化,研究了超声微幅循环载荷下球墨铸铁的疲劳裂纹萌生与扩展机制.根据超声疲劳试验控制位移的加载特点及超声疲劳试样几何形状特征,数值计算了超声疲劳裂纹扩展应力强度因子,给出了该球墨铸铁超声疲劳裂纹扩展速率曲线.     

皮质骨断裂力学行为的实验研究

采用稳态裂纹扩展和疲劳裂纹扩展的实验, 研究了牛皮质骨横向和纵向裂纹扩展的断裂力学行为. 沿着两个方向制备了紧凑拉伸(CT)试件. 由于试件尺寸的限制,采用数值计算方法确定了裂纹尖端应力强度因子与裂纹长度的关系. 在实验中, 采用数字图像相关法精确测定裂纹尖端的位置. 由于裂纹沿横向扩展时有较大的偏斜, 将采用$J$积分测量其断裂韧性. 实验结果表明, 在裂纹扩展的一定范围内, 皮质骨的断裂韧度随着裂纹不断扩展而增大, 即表现出上升的阻力曲线(R-curve)性质.而皮质骨的横向裂纹扩展的断裂韧度要远远大于纵向裂纹扩展的断裂韧度, 表现出各向异性的阻力曲线行为. 在疲劳裂纹扩展中, 纵向疲劳裂纹扩展率要大于横向疲劳裂纹扩展率, 这说明皮质骨具有各向异性的疲劳裂纹扩展性质.      

不均匀裂纹体疲劳裂纹扩展的实验研究和分析

本文提出了裂纹在硬区的软对硬不均匀裂纹体的力学分析模型.疲劳实验研究表明,这种不均匀性影响疲劳裂纹扩展速率.文中的疲劳载荷下不均匀裂纹体的边界元数值计算结果表明,随着疲劳裂纹的扩展,在相同扩展步下,裂纹距软硬区界面越近,裂纹张开位移的幅值△COD 越小,J 积分幅值△J 亦越小.不均匀性对疲劳裂纹扩展速率的影响,主要通过影响△J 来实现.裂纹与软硬区界面的距离越近,疲劳裂纹扩展速率越小.     

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.      

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.     

巴西圆盘试样中心斜裂纹疲劳扩展轨迹的边界元模拟

提出了一个平面弹性体多裂纹疲劳扩展模型. 它主要涉及到复合型加载情况下多裂纹尖端疲劳扩展的数学模型及杂交位移不连续法(一种边界元法). 在数值模拟中, 对每一裂纹扩展增量分析时,在其先前的边界上增添裂纹扩展增量, 且只对新增添的裂纹扩展增量划分单元, 同时, 按照这种边界元法的实施方法对一些单元特征进行调整, 就可以方便地模拟裂纹扩展. 用这种数值方法模拟了巴西圆盘试样中心斜裂纹疲劳扩展轨迹,数值结果说明了预报模型的有效性, 揭示了裂纹体几何对疲劳扩展的影响.      

测定薄板疲劳裂纹扩展门槛值的升降法

测定疲劳裂纹扩展门槛值传统方法的整个过程只测出裂纹扩展门槛值的一个观测值,而由于材料不均匀等客观因素的限制,传统试验法的结果具有一定的随机性.本文利用升降法的原理,提出一种测定疲劳裂纹扩展门槛值的升降法:预制裂纹并逐级降载使裂纹扩展速率接近门槛值速率,设定应力强度因子的级差,按照设定级差逐级降载,直至裂纹扩展速率低于门槛值速率,然后开始升载,直至裂纹扩展速率高于门槛值速率,再开始降载,如此重复进行即可以在疲劳裂纹扩展门槛值附近测得多对相反的数据点.运用小子样升降法数据处理方法,就可得到疲劳裂纹扩展门槛值的均值和方差.最后通过某型铝合金薄板疲劳裂纹扩展门槛值的测定试验验证了此方法的可行性.     

基于耗散能密度的疲劳裂纹扩展规律研究

在疲劳裂纹扩展过程中,裂纹尖端的能量耗散决定了裂纹扩展能力.研究基于耗散能密度的裂纹扩展规律更有物理意义.耗散能密度是材料疲劳性能的一种表征参数,实验测得了镍基高温合金GH4169材料室温和450℃高温的耗散能密度与控制应力幅值的关系曲线.参照Paris公式的形式提出了基于耗散能密度的裂纹扩展方程,并通过疲劳裂纹扩展试验测量了GH4169材料在室温和450℃高温下的裂纹扩展速率与耗散能密度的关系.试验结果的总体趋势与所提出的扩展方程一致.     

柔度法研究镍铬合金焊材的高温疲劳裂纹扩展行为

金属材料的高温疲劳裂纹扩展速率试验,关键问题在于高温环境下精确测量试样的裂纹长度.基于柔度测试技术,通过改进现有高温应变引伸计实现了FFCT试样的高温疲劳裂纹扩展速率测试.利用有限元方法对具有分层构形CT试样的柔度方法进行了研究,获得了分层结构CT试样的等效弹性模量表达式,通过迭代方法对实时裂纹长度进行修正,获得了良好的预测精度.完成了镍铬合金焊带、焊条和焊丝三种焊材常温和350℃下的疲劳裂纹扩展速率试验,获得了相应的疲劳裂纹扩展规律.     

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.     

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.     

金属材料疲劳损伤的宏细观理论

工程结构的疲劳损伤发展过程经历了由初始缺陷的形成、裂纹的稳态扩展直到最后失效的不同发展阶段,通常疲劳损伤的演化可以概括为以下几个阶段:(1) 亚结构和微观结构的变化引起永久损伤的形成,产生微观裂纹;(2) 微观缺陷的长大会合形成主裂纹;(3) 主裂纹稳态扩展;(4) 结构失稳或完全失效.首先论述了疲劳裂纹扩展的物理机制,并从细观和宏观两个方面总结了处理疲劳裂纹问题的最新研究成果,对位错力学在处理短裂纹扩展问题中的应用,以及无位错区(DFZ)在疲劳裂纹扩展中的作用进行了较详细讨论.      

可靠性设计中的疲劳裂纹扩展随机模型

首先导出了疲劳裂纹扩展的确定性方程，然后将疲劳裂纹扩展确定性方程随机化，导出了疲劳裂纹随机扩展的概率公式，并推导了疲劳裂纹随机扩展的置信限公式，最后，给出了二种材料疲劳裂纹随机扩展数据的处理结果。     

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。      

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.     

疲劳裂纹塑性闭合特性的数值分析方法

塑性诱导裂纹闭合是导致裂纹闭合发生的主要机理之一.利用弹塑性有限元法模拟含中心裂纹矩形板试件的疲劳裂纹扩展,并确定疲劳裂纹张开、闭合应力水平.通过计算,考察应力比R、裂纹长度、最大应力强度因子Kmax等对疲劳裂纹张开闭合应力的影响规律.论文阐述了所采用的裂纹扩展模拟方法及确定裂纹张开和闭合应力的原理.采用了等K加载方式,即在裂纹扩展中裂尖应力强度因子的最大值Kmax保持不变(给定R比,最大应力σmax随裂纹长度变化).分析了两种Kmax水平下R比分别为0.3,0,-0.5和-1.0共8种载荷工况.结果表明,对各个载荷工况,用瞬时最大应力σmax正则化的裂纹张开、闭合应力水平σop/σmax和σcl/σmax与裂纹长度无关.等K循环加载比等幅循环加载更有利于分析影响裂纹闭合水平的因素和闭合效应对疲劳裂纹扩展的影响规律,为建立基于裂纹闭合效应的疲劳裂纹扩展规律模型提供了一种新的思路.     

疲劳裂纹扩展过程中△K理论值的修正

通过聚碳酸酯紧凑拉伸试件的疲劳裂纹扩展速率试验和同时进行的光弹性实验,作者发现随着疲劳裂纹的扩展在裂纹尖端附近产生逐渐加强和扩大的残余应力场,揭示出了裂纹尖端附近的闭合效应的存在,它将使应力强度因子降低.因此,疲劳裂纹扩展过程中应力强度因子幅度△K 的理论值应该修正。本文提出了一种简便有效的修正方案.     

疲劳裂纹扩展的逻辑框架

人们已经发现应力强度因子变程△K与疲劳裂纹扩展率da/dN之间具有良好的对应关系,并由此建立了反映这些关系的各种理论。根据实验结果建立的疲劳裂纹扩展理论往往是假设性的(conjectory);但同时也可以用严谨的逻辑推理来导出疲劳裂纹扩展理论。演绎推导的理论和假设性的理论互为补充,促进了人们对疲劳裂纹扩展规律认识的不断深化。 本文对30年来疲劳裂纹扩展领域的工作进行了系统的总结,具体回顾考察了四种演绎推导理论:①无限大均匀宽板中的小裂纹扩展理论;②da/dN与△K相关的相似理论;③小范围屈服条件下均匀材料中的裂纹扩展理论;④链开式疲劳裂纹扩展理论,并将上述四种理论囊括在一个逻辑框架之中,用以分析疲劳裂纹扩展问题。本文也简述了如何应用这一逻辑框架来理解总结反映疲劳裂纹扩展行为的各种表达式,解释复杂的小裂纹扩展和复合材料中的裂纹扩展。     

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。     

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%。