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。     

基于损伤力学的复杂航空构件疲劳寿命预估

为提高复杂航空构件疲劳寿命的分析精度,降低对试验的依赖程度,本文基于考虑局部应力状态的损伤力学理论,利用USDFLD子程序将损伤控制方程嵌入ABAQUS中,对航空挡块结构的疲劳寿命进行了预估仿真试验,实现了评估复杂构件裂纹萌生寿命的损伤力学-有限元分析方法,并与名义应力法的分析结果进行了对比。发现对于本次试验的预估,损伤力学法和名义应力法计算寿命与试验平均寿命的相对误差分别为6.9%和20%。因此,对于复杂结构形式,损伤力学法具有更高的精度,可以大大减少疲劳试验数量。     

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。     

基于损伤力学方法的中周疲劳双尺度损伤模型

通常对于发生在高低周疲劳之间,损伤兼具弹塑性损伤特性的疲劳行为称为中周疲劳。本文将损伤力学方法与细观力学模型相结合,对双尺度代表性体积单元(RVE)的本构关系进行了合理假设,并分别研究了两个尺度的损伤演化规律。根据细观力学方法,考虑两相损伤的分别演化和互相作用,最终得到RVE的损伤演化模型。然后根据ABAQUS软件的接口与UMAT对接实现二次开发,建立了材料疲劳寿命预估的损伤力学——有限元解法。对铝合金LC4CS缺口件进行疲劳寿命预估以及损伤分析计算,预估结果均处于试验结果的两倍误差带内,验证了所提出双尺度模型的有效性。     

含缺口构件高周疲劳寿命的损伤力学封闭解法

本文根据损伤力学建立含缺口板守恒积分、应力与应变集中系数公式以及疲劳裂纹形成寿命的封闭解法。对铝合金含缺口板寿命预估结果与实验结果基本一致。本方法节省机时并可代替大量实验,具有一定的工程实用性。     

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。     

金属结构材料腐蚀疲劳寿命预测模型的研究进展

腐蚀疲劳是工业装备的主要失效模式之一.随着新技术的不断发展,航空航天、轨道交通、海洋设施等重大装备向着高可靠性、长寿命及智能化方向发展,亟需准确、高效的腐蚀疲劳寿命预测方法.论文对金属材料的腐蚀疲劳损伤机理进行了简要总结并对寿命预测模型进行了系统归纳与评述,提出未来的研究趋势与方向.具体地,首先介绍了腐蚀坑的萌生和生长、裂纹萌生及扩展的机理;其次总结了预腐蚀疲劳的断裂力学及损伤力学寿命预测模型,再次归纳了腐蚀疲劳的断裂力学、损伤力学及数据驱动寿命预测模型;进一步地,综合概括了现有寿命预测模型的优点和不足;最后,基于当前的研究指出未来可能的发展方向,一方面可以借助三维成像技术实现蚀坑向裂纹转变阶段和短裂纹扩展阶段的可视化研究,以改进现有的断裂力学模型;另一方面可以建立新型的多尺度多阶段寿命预测模型或利用新兴的数据驱动-物理融合方法实现腐蚀疲劳寿命预测.     

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。     

沥青路面反射裂缝问题的损伤力学守恒积分

基于损伤力学理论，建立了沥青路面反射裂缝问题的损伤力学守恒积分，证明了在反射裂缝形成过程中应变能密度的守恒性。在此基础上，导出了预估反射裂缝形成寿命的简便方法与公式。本文研究成果对于沥青路面设计与旧路补强设计具有一定理论指导意义。     

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.     

盐雾腐蚀对DLC薄膜摩擦学性能的影响

利用中频磁控溅射法分别在304不锈钢、GCr15和9Cr18 3种不同基底上沉积了Ti掺杂的含氢DLC薄膜.并利用球-盘摩擦试验机考察了在中性盐雾试验条件下三种不同基底的DLC薄膜在经过不同时间盐雾试验后的摩擦学性能,同时分析讨论了盐雾试验后薄膜摩擦学性能产生变化的原因.结果表明:在中性盐雾试验条件下暴露不同时间后,样品的耐腐蚀性能与基底材料一致;盐雾试验后沉积在三种不同基底上的薄膜跑合时间均明显增大并且GCr15基底的薄膜增长最明显;盐雾试验前后304不锈钢基底薄膜的摩擦寿命几乎没有变化而GCr15和9Cr18基底的薄膜由于发生腐蚀其摩擦寿命大幅降低约50%.     

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.     

腐蚀条件下飞机结构疲劳寿命评定技术的试验验证

一般环境下飞机结构疲劳寿命评定技术已相对成熟,而建立在模拟试验基础上的腐蚀条件下飞机结构疲劳寿命评定技术目前尚不完善.本文通过退役飞机全尺寸结构疲劳试验结果与对应的关键部位腐蚀条件下疲劳寿命评定结果的对比分析方法,验证腐蚀条件下飞机结构疲劳寿命评定方法,同时提出了用已服役多年飞机全尺寸结构疲劳试验结果修正地面停放腐蚀修正系数曲线及加速环境谱当量加速关系的方法.     

考虑静强度要求的飞机金属结构腐蚀/疲劳交替寿命预测方法

腐蚀环境下飞机金属结构疲劳关键件的寿命评定是飞机结构寿命监控的重要工作。为此,模拟飞机结构经历的"地面腐蚀+空中疲劳"过程,构建了考虑静强度要求的腐蚀/疲劳交替寿命预测模型。首先分析了结构静强度要求对腐蚀损伤的限制,然后基于腐蚀影响系数法提出了将腐蚀损伤当量成疲劳寿命的衰减;进一步分析了结构静强度对疲劳累积损伤的影响;最后,建立了基于静强度和累积损伤准则的腐蚀/疲劳交替寿命预测模型。计算结果表明:由于结构静强度的要求,不同使用强度下飞机结构疲劳寿命和日历寿命的消耗基本服从分段的线性关系;在使用强度为4.517万次/天和3.591万次/天时,疲劳寿命和日历寿命的消耗存在"平衡点",可以通过调整使用强度,达到二者同时到寿的目标。该模型可以为飞行计划的调整提供参考。     

考虑孔洞影响的铸造镁合金ZM6疲劳寿命预估方法

铸造镁合金ZM6是一种应用于直升机减速器机匣制造的典型材料。然而,在铸造过程中产生的内部缺陷对材料的疲劳性能有显著影响。本文研究了含内部孔洞缺陷ZM6材料的疲劳损伤模型和寿命预估方法。首先,采用X射线断层扫描技术,对三个批次毛坯料制成的试验件进行扫描观察,获得了试验件内部孔洞的分布特征。进而,对48件试验件进行了两种应力比下多级应力水平的疲劳试验,获得了各批次试验件寿命结果,并通过观察与分析,得出了孔隙率和近表面较大孔洞为影响试验件疲劳寿命的两个关键因素。然后,基于损伤力学理论提出了通过材料初始弹性模量和等效孔洞局部应力应变场来分别反映孔隙率和近表面较大孔洞影响的疲劳损伤模型和寿命计算方法,并结合ABAQUS软件平台实现了含孔洞试验件的疲劳损伤计算和寿命计算。最后,采用所提理论模型和计算方法给出了试验件的疲劳寿命预测结果,并与试验结果进行了不同维度的对比,验证了所提模型与方法的有效性和适用性。     

疲劳损伤状态的试验研究

从疲劳过程中材料显微组织结构的变化特征、疲劳损伤的非线性效应等方面进行分析与论证，提出了不存在一般意义上的“等效损伤状态”的观点，采用高－低和低－高两组循环载荷下的损伤累积试验，对传统意义上的“等效损伤状态”下的剩余寿命试验进行了验证。     

利用间隙元的方法计算和分析疲劳寿命

提出了一个利用结构有限元方法中间隙元的原理来计算和分析疲劳寿命的新的累积损伤模型和方法。该方法利用间隙来模拟裂纹的形成和扩展 ,并提出新的累积损伤理论。不仅可以得到构件的疲劳总寿命 ,而且还可以用于计算裂纹的生成寿命、扩展寿命。同时又描述了裂纹的开裂过程 ,即裂纹的开裂尺寸和开裂方向。这为进行各种疲劳强度设计提供了一个新的思路和方法     

封装结构的热疲劳寿命预估研究进展

分别从理论计算、实验研究和失效机理的研究等几个方面综述了微电子封装结构（主要包括多层膜,焊点及引线键合等结构）的热疲劳寿命预估研究领域的进展;并对今后该领域的发展方向进行了预测．      

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.