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.     

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.     

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．     

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．     

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.     

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。     

疲劳裂纹扩展寿命的可靠性及灵敏度分析

将影响结构疲劳裂纹扩展寿命的不确定因素视为随机变量,用随机有限元和可靠性分析理论,从概率论和数理统计的角度出发对含裂纹平面结构的断裂过程进行了可靠性分析。通过疲劳裂纹扩展寿命可靠度对随机变量的灵敏度分析,可以看出不同因素对疲劳裂纹扩展寿命可靠度影响的差别很大。     

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.      

变幅载荷下三维裂纹体的疲劳寿命估算方法探讨

1.引言变幅载荷下三维裂纹扩展的疲劳寿命估算是十分麻烦的.而三维裂纹体的应力强度因子计算的复杂性,使估算工作更加困难.为了适应三维裂纹体的工程分析,本文采用了权函数.G.C.Sih;J R.Rice.P.M.Besuner和,T.A.Cruse等把权函数用于工程断裂分析中.由于他们采用的权函数只能对内埋或半椭圆表面裂纹的长、短轴方向进行分析,不能求解三维裂纹前沿任意点处的应力强度因子,故无法对三维裂纹进行较合理的疲劳分析.本文采用文[9]形式的权函数求解应力强度因子,并引入当量裂纹长度的概念,导出裂纹扩展过程中△K_I～△c的近似关系,进而采用广义Willenborg模型估算工程构件中表面裂纹在变幅载荷下的剩余疲劳寿命. 2.基本原理和方法     

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.     

黏弹性体界面裂纹的冲击响应

研究两半无限大黏弹性体界面Griffith裂纹在反平面剪切突出载荷下,裂纹尖端动应力强度因子的时间响应,首先,运用积分变换方法将黏弹性混合黑社会问题化成变换域上的对偶积分方程,通过引入裂纹位错密度函数进一步化成Cauchy型奇异积分方程,运用分片连续函数法数值求解奇异积分方程,得到变换域内的动应力强度因子,再用Laplace积分变换数值反演方法,将变换域的解反演到时间域内,最终求得动应力强度因子的时间响应,并对黏弹性参数的影响进行分析。     

COMPUTATION OF STRESS INTENSITY FACTORS BY THE SUB-REGION MIXED FINITE ELEMENT METHOD OF LINES

Based on the sub-region generalized variational principle,a sub-region mixed ver- sion of the newly-developed semi-analytical‘finite element method of lines’(FEMOL)is pro- posed in this paper for accurate and efficient computation of stress intensity factors(SIFs)of two-dimensional notches/cracks.The circular regions surrounding notch/crack tips are taken as the complementary energy region in which a number of leading terms of singular solutions for stresses are used,with the sought SIFs being among the unknown coefficients.The rest of the arbitrary domain is taken as the potential energy region in which FEMOL is applied to obtain approximate displacements.A mixed system of ordinary differential equations(ODEs) and al- gebraic equations is derived via the sub-region generalized variational principle.A singularity removal technique that eliminates the stress parameters from the mixed equation system even- tually yields a standard FEMOL ODE system,the solution of which is no longer singular and is simply and efficiently obtained using a standard general-purpose ODE solver.A number of numerical examples,including bi-material notches/cracks in anti-plane and plane elasticity,are given to show the generally excellent performance of the proposed method.     

一种构造高维Nilpotent正规型的方法

正规型方法是一种有效的简化一类非线方程的方法。今提出了一种简便的代数方法去构造高维非线性系统的Nilpotent范式。通过引入一系列简单的变换和代数运算,而无需求解任何偏微分方程,即可得到高维非线性系统的Nilpotent范式。以四维非线性系统为例介绍这个方法。该方法完全适用于分析高于四维的非线性系统的Nilpotent范式。     

病态代数方程的精细积分解法

基于精细积分思想,提出了一种有效的病态代数方程组求解方法。类似于稳态热传导方程可视为瞬态热传导方程的极限形式,将具有正定对称实系数矩阵的病态代数方程组归结为一个常微分方程组初值问题的极限形式,并在此基础上建立了病态代数方程组的精细积分解法。该方法不仅精度高,而且能以指数速度收敛,具有较高的效率。本文还讨论了病态代数方程...     

一种结构动力响应分析的快速高阶算法

为了提高基于高阶格式的结构动力响应微分求积分析方法的计算效率,发展了一种求解动力方程的快速算法.利用微分求积原理将结构动力方程转化为标准Sylvester方程的形式,通过对系数矩阵进行矩阵分解,进而将动力响应Sylvester方程化为一系列标准线性方程组,采用相关成熟算法求解这些线性方程组后即可获得结构动力时程响应的全...     

Scattering of harmonic elastic waves by a plane interface crack with linear adhesive tips in a layered half space

In this paper, the scattering of elastic waves by an interface crack with linear adhesive tips in a layered half space is considered. By use of integral transform and integral equation methods, the singular integral equations of this problem are derived, which are transformed into a set of algebraic equations by means of contour integration and Chebyshev polynomials expanding technique. The numerical results of the adhesive region and stress amplitudes are given in this paper.     

Exact solutions of multi-term fractional diffusion-wave equations with Robin type boundary conditions

General exact solutions in terms of wavelet expansion are obtained for multi- term time-fractional diffusion-wave equations with Robin type boundary conditions. By proposing a new method of integral transform for solving boundary value problems, such fractional partial differential equations are converted into time-fractional ordinary differ- ential equations, which are further reduced to algebraic equations by using the Laplace transform. Then, with a wavelet-based exact formula of Laplace inversion, the resulting exact solutions in the Laplace transform domain are reversed to the time-space domain. Three examples of wave-diffusion problems are given to validate the proposed analytical method.     

横观各向同性三维热弹性力学通解及其势理论法

通过引入两个位移函数，对用位移表达的运动平衡方程作了简化．利用算子理论，严格地导出了横观各向同性非耦合热弹性动力学问题的通解．对于静力学问题，通解的形式可进一步简化成用4个准调和函数来表示．具体考察了横观各向同性体内平面裂纹上下表面有对称分布温度作用的问题，推广了势理论方法，导出了一个积分方程和一个微分-积分方程．针对币状裂纹表面受均布温度作用情形，给出了具体的解。     

Non-linear transformation-operators and explicitly solvable differential equations (KdV ETC.)

The usefulness of studying systematically the algebraic structure of a non-linear operator, transforming the solution of a linear differential equation into the solution of a non-linear one, is shown by some examples. It is shown that the notion introduced below of a locally integrable equation is useful when one has to decide quickly whether a given equation is not an explicitly solvable one, or sometimes when looking for the explicit formulae. Some new examples of the explicitly solvable equations are given.     

求解非线性振动问题的一种新方法

首先把描述非线性振动的微分方程归结为一非线性积分微分方程，然后把此积分微分方程的求解转化为一无穷阶的非线性代数方程组的求解。从理论上讲，可得到满足任何精度要求的周期解。本文用此方法对Ｄｕｆｉｎｇ系统进行了分析。