谐振载荷作用下工程结构振动疲劳寿命预估的损伤力学-有限元法

建立了预估谐振载荷作用下结构振动疲劳寿命的损伤力学-有限元方法。首先根据损伤热力学原理,构建了损伤演化方程,建立光滑试件在恒幅应变交变载荷作用下寿命预估方法;进一步由损伤力学守恒积分原理,得到恒幅重复载荷作用下应力与寿命的关系式;然后根据标准件疲劳试验结果,拟合得到损伤演化方程中的材质参数;最后利用APDL语言编程对ANSYS软件进行了二次开发,借助ANSYS软件对谐振载荷作用下结构振动疲劳裂纹萌生寿命进行预估。作为算例,本文利用该方法预估了LC9CgS1铝合金梁谐振载荷作用下疲劳裂纹萌生寿命。     

轴对称构件疲劳损伤演化方程与寿命预估方法的改进

以热力学为基础,引入损伤驱动力构建分式形式的损伤演化方程.进一步针对轴对称问题,引入等效应变和等效应力.根据损伤力学守恒积分原理,得到有损伤情况下和无损伤情况下应力应变与伤度的关系.利用分离变量方法再对损伤演化方程积分,得到棒试件在恒幅应变交变载荷作用下的应力与寿命关系的级数表达式.损伤演化方程中的材质参数由KT=1与KT=3的标准轴对称试件中值疲劳试验数据确定.损伤演化方程与寿命预估方法的正确性由KT=5的疲劳试验结果验证.利用级数解法对扩口管路连接件进行了寿命预估,提供了一种用损伤力学方法来描述构件的疲劳寿命可行的方法.     

各向异性损伤力学在螺纹疲劳寿命预估中的应用

引用损伤力学方法研究金属构件疲劳问题。在微结构力学模型基础上建立轴对称的各向异性疲劳损伤本构关系,通过有限元-附加力解法编制考虑各向异性损伤的有限元程序。应用引入门槛条件的损伤演化方程,并以损伤划分步长预估了构件疲劳裂纹形成与扩展寿命。用这一方法预估30CrMnSiNi2Aφ5和φ8螺栓全寿命。结果表明,理论S-N曲线与试验S-N曲线吻合良好并且门槛条件对修正低应力下疲劳寿命有很好的效果。本方法所需机时较少,可用于工程实际构件的高周疲劳寿命预估及抗疲劳优化设计。     

一个高周疲劳损伤演化修正模型

将连续损伤力学应用到疲劳问题中, 得到合理的疲劳损伤演化方程,被认为是预测疲劳寿命最有效的方法之一. 在研究Lemaitre最新疲劳损伤演化方程基础上, 根据试验数据提出了一个修正的高周疲劳损伤演化方程, 该方程可以考虑应力幅、平均应力等影响因素. 以2A12-T4铝合金为例, 得到了修正模型的材料常数. 将该修正模型以UMAT子程序形式嵌入ABAQUS主程序, 计算了两种构件14种不同受载情况下的疲劳寿命, 所得计算寿命与试验结果误差均值约15%, 说明修正的疲劳损伤演化方程可以很好地计算金属构件的高周疲劳寿命.      

铝合金切口件在四组变幅载荷下3.5%NaCl溶液中腐蚀疲劳裂纹起始寿命 …

试验研究了铝合金切口件在４组变幅块谱下，３．５％ＮａＣｌ溶液中腐蚀疲劳纹裂起始寿命，结果表明，变幅载荷谱中的大超载会显著延长腐蚀疲劳裂纹起始寿命，并且加载顺序具有明显的影响，根据反映大小载荷交互作用的超载腐蚀疲劳裂纹起始寿命曲线和Ｍｉｎｅｒ累积损伤定理，建立变幅载荷下切口件腐蚀疲劳裂纹起始寿命估算模型，应用该模型估算的结果与试验结果相吻合。     

铝合金切口件在四组变幅载荷下3.5%NaCl溶液中腐蚀疲劳裂纹起始寿命试验研究与估算模型

试验研究了铝合金切口件在4组变幅块谱下、3．5％NaCl溶液中腐蚀疲劳裂纹起始寿命．结果表明，变幅载荷谱中的大超载会显著延长腐蚀疲劳裂纹起始寿命，并且加载顺序具有明显的影响．根据反映大小载荷交互作用的超载腐蚀疲劳裂纹起始寿命曲线和Miner累积损伤定则，建立了变幅载荷下切口件腐蚀疲劳裂纹起始寿命估算模型，应用该模型估算的结果与试验结果相吻合．     

基于损伤力学方法的铆接结构疲劳寿命预估

将损伤力学-有限元方法应用于飞机结构疲劳寿命预估中,对机翼蒙皮压窝形式的铆接结构进行了寿命计算和分析,得到了结构的疲劳寿命和疲劳损伤演化过程,并对铆接试验件进行了疲劳试验,将损伤力学方法的预测结果与试验结果进行了比较。分析结果反映出结构疲劳损伤累积初期较为缓慢、后期速率急剧上升的过程,符合损伤演化规律。在180MPa载荷水平下,计算寿命与试验平均寿命的相对误差为11.3%,满足工程精度要求。从而验证了损伤力学方法应用于实际工程结构寿命预测的可行性和可靠性。     

高周疲劳各向异性损伤问题研究

引用损伤力学方法研究金属构件疲劳问题，并采用微结构力学模型建立了各向异性疲劳损伤本构关系与附加力-有限元解法，以损伤划分步长预估了构件疲劳裂纹形成与扩展寿命．用这一方法预估30CrMnSiNi2A材料含缺口圆棒试件全寿命．结果表明，理论S—N曲线与试验S—N曲线吻合良好．该方法所需机时较少，可用于工程实际构件的疲劳寿命预估及抗疲劳优化设计．     

疲劳寿命估算的能量法及其实验研究

根据疲劳损伤滞后能等效原理,导出了缺口件与光滑件的当量应力关系,通过Ｎｅｕｂｅｒ公式和饱和应力应变关系,可确定当量应力取值;采用定量方程随机化方程,建立了γ－ｐ－ε－Ｎ曲线（置信度－可靠度－应变－寿命曲线）公式及其实验测试方式;根据疲劳累积损伤理论和γ－ｐ－ε－Ｎ曲线公式,得到了随机载荷谱作用下构件疲劳寿命估算公式;最后,实验验证了复杂实测载荷谱作用下,ＬＹ１２ＣＺ铝合金含孔试样的疲劳寿命估算结果     

整体复合材料结构分层疲劳全寿命预测方法研究

基于粘聚区模型的观点,认为外载荷作用下整体复合材料结构各元件变形均累积于连接界面,则界面分层扩展可用位移间断δ的演化来表征.以此为基础,建立常幅载荷下分层界面损伤-寿命与应变能释放率-寿命之间的联系,将准静态载荷下的位移间断分为三种情形.提出四个假设,分层疲劳全寿命由基体裂纹形成寿命NM、分层开始寿命ND和分层扩展到一定尺寸寿命Nc三部分组成.给出了变幅载荷下界面损伤累积的计算方法和分层疲劳全寿命预测流程.最后,通过两个算例预测常幅和变幅载荷下复合材料分层疲劳全寿命,计算结果与试验结果一致,表明了本文方法的合理性.     

腐蚀环境作用后LC4铝合金疲劳累积损伤竞争模型

日历腐蚀环境作用后材料或结构件的疲劳累积损伤规律是科学地确定飞机结构日历寿命的关键，为此本文进行了多种“疲劳 腐蚀”模式的损伤累积试验，研究了“机械栽荷”和“腐蚀载荷”的相互影响，提出了腐蚀环境作用后疲劳累积损伤的竞争模型。与实验结果的比较表明在“疲劳 腐蚀 疲劳……”的加载模式下竞争模型与试验结果吻合较好。     

基于微-细观机理的混凝土疲劳损伤本构模型

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.      

柔性路面的各向异性疲劳损伤数值模型研究

根据柔性路面在交通荷载作用下的力学响应特点,推导了一个各向异性疲劳损伤本构方程,并基于ABAQUS软件及其二次开发平台,建立了考虑各向异性疲劳损伤的路面结构有限元模型。通过建立的模型计算车辆作用下路面结构的疲劳寿命,其结果与试验数据吻合良好,误差最高仅为3.8%,证明该模型精确可靠。最后,分析了疲劳损伤的演化规律,以及路面结构参数对疲劳性能的影响。结果表明,路面纵向疲劳损伤演化速率比横向大得多,随着车辆循环作用,路面结构的各向异性逐渐增强,进而又加剧疲劳损伤的演化。另外,沥青层越厚、土基弹性模量越大,路面疲劳损伤演化得越慢;而当土基较弱、沥青层较薄时,增加级配碎石层厚度可以显著延缓柔性路面的疲劳开裂。     

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.     

THE FATIGUE CONSTITUTIVE MODEL OF CONCRETE BASED ON MICRO-MESO MECHANICS

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.     

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为降低用来确定疲劳极限的升降法试验的工作量，以热力学为基础，引入损伤驱动力，构建 损伤演化方程. 积分此方程得到疲劳寿命与应力或应变的理论关系. 对光滑试件，根据成组 法疲劳试验结果利用最小二乘法拟合包括疲劳极限在内的材质参数. 利用损伤力学方法求得 高应力区的疲劳寿命曲线，由此递推得到低应力区寿命值和疲劳极限. 所得理论疲劳极限值 与升降法疲劳试验结果十分吻合. 节约了疲劳试验的机时、费用与人力.     

疲劳损伤伤演方程中材料常数的确定

损伤力学作为近年来固体力学的一个非常活跃的分支,其本构关系和损伤演化方程是核心内容。损伤演化方程中材料常数的确定,是损伤力学中最基本却很重要的工作。利用大范围损伤下的预估拉压和弯曲疲劳裂纹形成寿命的封闭解答,应用最小二乘法给出了确定损伤演化方程dD/dN=α(Δε)m中材料常数α、m的方法。该方法可作为确定这种类型损伤演化方程材料常数的一般方法。     

腐蚀环境下复合材料修补件力学特性研究

采用复合材料补片胶接修补含裂纹LY12CZ铝合金板,开展了试验室大气环境和加速预腐蚀环境下复合材料修补件静强度拉伸和疲劳裂纹扩展对比试验研究.结果表明,复合材料补片均能显著提高损伤结构的拉伸强度和疲劳寿命,且短周期的预腐蚀环境对修补件两种力学特性的影响可以忽略不计.同时,基于Paris公式和Rose分析模型,建立了常规环境和预腐蚀环境下疲劳裂纹扩展寿命预测模型,通过与试验结果的对比证明了该模型的工程有效性.     

疲劳线性累积损伤理论的α值实验验证

对疲劳累积损伤临界值进行了实验验证.首先进行了某构件三种随机载荷谱下的疲劳试验,测定了其谱载下的疲劳寿命T;再对载荷谱进行雨流计数,得到了各应力水平的循环次数n;利用疲劳性能Sα-Sm-N曲面,确定了构件在各应力水平单独作用下的疲劳寿命N;最后,根据 Miner公式,估算出各构件的疲劳累积损伤临界值（α值）.根据分析结果推测:α值是一个均值为1的随机变量.     

复合材料厚壁圆筒的疲劳损伤研究

基于能量耗散法,推导出了复合材料厚壁圆筒的疲劳损伤和疲劳寿命函数;在此基础上,采用有限元软件 ABAQUS 建立复合材料圆筒模型,进行了模拟周期内压载荷作用下的疲劳仿真计算,得到了随着循环数的增加,疲劳损伤变量不断增大和材料性能不断退化的损伤规律。以同样的方法和载荷边界条件计算了全金属圆筒疲劳损伤的起始和演化。对比结果表明：相同循环次数作用下,后者的裂纹扩展长度和张开位移更大;随着循环次数的增加,后者的疲劳破坏比前者更剧烈,更难预测。