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.     

残余应力对含裂纹缺陷管道疲劳寿命的影响

针对焊缝区含表面轴向裂纹管道的疲劳寿命问题,探究管道在内压波动下裂纹扩展的规律。建立了焊缝区裂纹仿真模型。采用ABAQUS有限元软件的多层生死单元技术计算了长输管道X80钢的残余应力场。将焊接残余应力场作为裂纹扩展分析的初始应力场导入裂纹仿真模型,结合该软件的扩展有限元法(XFEM)和二次开发计算了在焊接残余应力下裂纹扩展的规律。结果表明:由于焊接残余应力的影响,热影响区含裂纹缺陷的X80管道疲劳寿命明显降低,降低幅度约达40%;裂纹长度对管道的疲劳寿命影响不显著,裂纹深度对其有一定影响,而应力比影响最大,且应力比R=0.1最为显著。     

干态下车轮材料表面疲劳裂纹萌生试验研究

利用WR-1轮轨滚动磨损试验机,结合安定极限理论研究了干态下影响车轮材料表面疲劳裂纹萌生与扩展的因素,探究了表面疲劳损伤形成机理和演变规律.结果表明:随垂向力、横向力和冲角增大,表面疲劳裂纹越容易萌生扩展;冲角对表面疲劳裂纹的萌生与扩展起着重要作用,大冲角下斜线状表面疲劳裂纹萌生扩展明显;只有横向力而不存在冲角时,试样表面不会出现斜线状表面疲劳损伤;车轮试样在周期性循环载荷作用下在表面先形成塑性流动,然后沿轮轨表面切向力方向扩展成斜线状的表面疲劳起皮剥落损伤;垂向力是影响表面裂纹萌生时间的重要因素之一.     

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．     

常幅、程序和随机三种不同载荷下的平台用钢的表面裂纹扩展规律及比较

本文使用导管架平台所用的材料 A537研究表面裂纹在常幅、程序和随机三种不同载荷下的疲劳裂纹扩展规律、以及对它们的影响,并把它们的寿命进行比较,找出裂纹形状变化的规律,探索把常幅加载疲劳裂纹扩展数据用于平台疲劳寿命估算的可能性.     

冷喷涂试件疲劳裂纹扩展规律试验研究

冷喷涂作为一种新兴的表面处理技术,广泛应用于增材制造和零部件修复等领域。为了探究冷喷涂处理后Q355钢基体的疲劳裂纹扩展规律,对2组标准单边缺口3点弯曲试样进行了冷喷涂处理。在光滑的Q355B钢基材表面分别沉积了纯Al和A5052铝合金涂层,然后对冷喷涂试件和一组未喷涂光滑试件进行了3点弯曲疲劳试验,得到了裂纹尖端张开位移和裂纹长度、裂纹扩展速率和荷载循环次数的规律曲线并进行了对比分析。结果表明：在裂纹扩展长度相同的情况下,冷喷涂试件和未喷涂试件的裂纹尖端张开位移基本相同,且随着疲劳裂纹的延伸,裂纹尖端张开位移也随之快速增大;在一定的裂纹尖端张开位移范围内,冷喷涂处理可以降低疲劳裂纹扩展速率;采用裂纹尖端张开位移作为疲劳裂纹扩展控制参数对冷喷涂试件的疲劳裂纹扩展规律进行判定是准确的,且裂纹尖端张开位移通过试验容易获得,简单方便,可以同时满足裂纹尖端弹性和塑性的情况。     

常幅、程序和随机三种不同载荷下的平台用钢的表面裂纹扩展规律及比较

本文使用导管架平台所用的材料 A537研究表面裂纹在常幅、程序和随机三种不同载荷下的疲劳裂纹扩展规律、以及对它们的影响,并把它们的寿命进行比较,找出裂纹形状变化的规律,探索把常幅加载疲劳裂纹扩展数据用于平台疲劳寿命估算的可能性.     

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.     

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.      

焊接接头热影响区的海水腐蚀疲劳裂纹扩展速率

本文采用T型板状焊接接头试件承受弯曲循环载荷进行空气中和海水自由腐蚀条件下的疲劳裂纹扩展试验(海水中试验条件为R=0-0.1,加载频率0.2Hz,海水温度20℃±1℃),得到了海上平台钢E36-Z35焊接接头热影响区在空气中和海水中裂纹扩展速率da/dN～AK曲线和Paris公式中相应的C和m值,并进行了讨论. 应用本文得到的试验数据,用断裂力学方法对板状焊接接头在空气中和海水中自由腐蚀条件下的疲劳裂纹扩展寿命进行了估算,结果表明,在适当考虑裂纹起始寿命的情况下,用断裂力学方法估算的疲劳裂纹扩展寿命与试验结果相当符合.文中还讨论了初始裂纹尺寸的选取对估算裂纹扩展寿命的影响.     

GCr15凹模环形裂纹电磁热局部跨越止裂的模拟研究

裂纹止裂技术是当前工业生产和实际应用中急需解决的关键问题;利用电磁热效应对带有裂纹的金属构件进行止裂,是达到延长工作寿命、提高安全性可靠性的一种行之有效的方法;本文采用有限元方法研究了带有半埋藏环形裂纹的轴对称GCr15凹模电磁热局部跨越止裂;建立了超强脉冲电流放电瞬间,环形裂纹尖端附近电场、温度场和热应力场的耦合关系。数值模拟分成热-电耦合(焦耳热问题)和热-机械耦合两个过程来实现,通过数值解析轴对称模型,给出了脉冲放电瞬间GCr15凹模中的电流-温度-热应力的求解过程,得到了脉冲放电瞬间半埋藏环形裂纹局部跨越止裂时凹模的温度场和热应力场。数值模拟研究结果表明:由于热集中效应,在放电瞬间裂纹尖端金属熔化,并形成局部堆焊,阻止了干线裂纹源的开裂,达到了止裂的目的。     

高速列车服役模拟建模与计算方法研究

高速铁路的出现,使得轮轨交通技术达到更高的层次.速度提升不仅对列车的牵引动力与动力学性能提出更高要求.而且,列车与线路、气流等运行环境的耦合作用加剧,并直接影响到了列车的运行品质和安全性.在高速列车发展初期,研究关注的是如何保证高速列车能高速、平稳和安全运行.随着运行速度的提高,系统间耦合加强,服役模拟也越来越受到重视...     

复合结构壳体蠕变变形有限元研究

基于蠕变理论，采用有限元数值计算方法，用ANSYS作为计算平台，建立了壳体结构的蠕变变形计算模型．对由耐火材料是镁碳砖炉衬和炉壳组成的复合结构转炉，由于高导热率的镁碳砖广泛使用，引起转炉炉壳的温度升高，导致转炉不同程度地出现了炉壳蠕变变形，致使炉壳使用寿命缩短．研究转炉炉壳蠕变变形的状态及分布规律，可为控制炉壳蠕变变形、延长炉壳使用寿命提供依据．运用所述的有限元计算模型，对复合结构的转炉炉壳的蠕变变形行为进行模拟，模拟结果与现场测量值基本吻合．     

基于实测载荷谱的重载铁路货车车钩钩尾框剩余寿命预测

随着我国重载铁路货车运行规模及开行频次的增加, 车钩钩尾框断裂破坏问题日益严重. 本文以国产16/17型车钩钩尾框(锻造E级钢)为研究对象, 首先通过系统的材料试验获得了锻造E级钢的基本力学性能和断裂性能参数; 其次建立了含初始裂纹缺陷的钩尾框有限元模型; 最后基于实测线路载荷谱, 采用NASGRO方程开展了伤损钩尾框剩余寿命预测. 计算结果表明: 当裂纹形貌比a/c为0.8, 0.5, 0.3时计算得到的车钩钩尾框剩余寿命逐渐减小, 疲劳裂纹从深度2 mm扩展至20 mm的计算剩余寿命分别为36, 32, 26万公里, 均不足一个段修期; 3种裂纹形貌比下裂纹扩展至12 mm后的剩余寿命占比均较小, 仅为总剩余服役里程的4.7%, 4.0%, 2.2%, 因此可将12 mm作为钩尾框损伤容限止裂判据较为合理; 为研究近门槛区对裂纹扩展寿命的影响, 当裂纹形貌比为0.5且初始裂纹的尺寸降低至0.5 mm时, 裂纹将处于裂纹扩展门槛区附近, 剩余服役里程约为156万公里, 约为2 mm初始裂纹的4.9倍, 跨越了三个段修期. 论文研究结果可为重载铁路货车钩尾框检修周期的优化提供基本参考.      

SBFEM与非局部宏微观损伤模型相结合的准脆性材料开裂模拟

混凝土是一种被广泛应用于土木和水利工程中的准脆性材料, 在各种内外部因素的作用下, 开裂是混凝土结构最为普遍的破坏形式, 准确模拟结构的开裂过程, 对于结构的安全评估至关重要. 将比例边界有限元与非局部宏微观损伤模型相结合提出一种准脆性材料开裂模拟新方法. 以比例边界有限元子域的比例中心作为物质点, 通过两比例中心(物质点对)之间的物质键的正伸长率来定义微细观损伤, 将某点影响域内物质键的微细观损伤加权平均得到该点的宏观拓扑损伤. 再引入能量退化函数, 将宏观拓扑损伤嵌入到比例边界有限元的基本框架中. 充分利用比例边界有限元网格允许存在悬挂节点的优势, 采用四叉树网格离散技术进行快速、高质量的多级网格划分与过渡. 通过一个I型开裂与一个混合型开裂的两个典型算例, 验证了该方法可捕获结构裂纹扩展路径与荷载变形曲线. 与现有的方法相比, 本文的损伤模型可得到更准确的局部开裂损伤带, 结果更为合理, 且具有更高的计算精度和计算效率. 当损伤过程区网格尺寸小于影响域半径的1/5时, 计算结果不存在网格敏感性问题.      

Crack propagation in a functionally graded plate under thermal shock

Summary Thermal cracking in a ceramic/metal functionally graded plate is discussed. When a functionally graded plate is cooled from high temperature, curved or straight crack paths are experimentally observed on the ceramic surface. One of the reasons that make the crack paths to differ are the thermal or mechanical conditions. In order to clarify the influence of these conditions on the crack path, the crack propagation is simulated using finite element method. Received 29 September 1998; accepted for publication 2 August 1999     

Fatigue crack propagation life analysis of solder joints under thermal cyclic loading

Fatigue crack propagation life analysis of solder joints under thermal cyclic loadings was investigated by the strain energy release rate method using finite element analysis. A relationship between the crack-growth rate and the strain energy release rate was derived. Finite element simulations were carried out to investigate the effect of crack growth along the interface of solder and lead in a solder joint assembly. The crack propagation life of the solder joint with an interface crack was predicted from the derived relationship between crack growth rate and values of the strain energy release rate. It was found that crack propagation life is much higher than the crack initiation life.     

低成本基板倒装焊底充胶分层裂缝扩展研究

采用MIL-STD-883C热循环疲劳加载标准，通过电学检测方法测定了B型和D型两种倒装焊封装焊点寿命。并使用无损声学C-SAM高频超声显微镜技术观测这两种倒装焊封装在焊点有无断裂两种情况时芯片／底充胶界面的分层和扩展，计算得到分层裂缝扩展速率。在有限元模拟中采用粘塑性和时间相关模量描述了SnPb焊点和底充胶的力学行为。使用裂缝尖端附近小矩形路径J积分方法作为断裂力学参量得到不同情况下的界面分层裂缝顶端附近的能量释放率。然后由实验裂缝扩展速率和有限元模拟给出的能量释放率得到可作为倒装焊封装可靠性设计依据的Par—is半经验方程。     

Simulation of glass cutting with an impinging hot air jet

Thermal cutting of glass sheet due to an impinging hot air jet is simulated and analyzed. Induced thermal stresses due to the moving heat source can be used to stably initiate and attract a crack toward the jet axis. Relative motion between the jet and glass sheet then can be used to cut the glass sheet. This paper presents a theoretical study of this process for straight cuts. Process simulation is accomplished by analyzing the coupled temperature and stress fields together with the fracture mechanics criteria for the crack growth.A finite element remeshing technique is employed for the analysis and singular elements are used around the crack tip for a more precise computing of the stress intensity factor. It is shown that a certain minimum air jet temperature for a given nozzle velocity and a certain maximum air jet velocity for a given temperature are required for continuous cutting. The results of the simulation show a good agreement with the published results in the literature. However a variating nature is detected for the distance between the crack tip and the air jet nozzle from a starting value to the steady-state one.     

EFFECT OF LOADING TYPE ON FATIGUE CRACK GROWTH BEHAVIOR OF SOLDER JOINT IN ELECTRONIC PACKAGING

Fatigue cracking tests of a solder joint were carried out using in-situ scanning electron microscopy （SEM） technology under tensile and bending cyclic loadings. The method for predicting the fatigue life is provided based on the fatigue crack growth rate of the solder joint. The results show that the effect of the loading type on the fatigue crack growth behavior of a solder joint cannot be ignored. In addition, the finite element analysis results help quantitatively estimate the response relationship between solder joint structures. The fatigue crack initiation life of a solder joint is in good agreement with the fatigue life （N50%） of a totally electronic board with 36 solder joints.