耦合蠕变损伤的粘塑性模型用于疲劳-蠕变交互作用的研究

该文对550℃下30CrMoNiV5-11转子钢进行了轴向应力控制的带保持时间的疲劳实验.按照Le-maitre有效应力的概念,采用Kachanov损伤演化方程,推导了耦合损伤的粘塑性流动方程和随动硬化方程,使用返回映射和向后欧拉方法实现应力更新,并在有限元软件ANSYS的接口程序UMAT中嵌入用户程序.对试样疲劳-蠕变交互行为进行模拟,结果表明,耦合蠕变损伤变量后,模拟结果较不含损伤变量模型的模拟结果精度大为提高.     

蠕变－疲劳交互作用下的结构分析

蠕变－疲劳交互作用下的结构分析曾攀（北京清华大学，１０００８４）关键词蠕变，疲劳，交互作用，损伤，寿命估算１引言在喷气发动机、燃气轮机、电站及化工厂中，有些结构元件经常是在高温、周期加载条件下工作，对于这类结构元件的寿命估算必须考虑到蠕变与疲劳共同作...     

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。     

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。     

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。     

含水岩体非线性蠕变损伤模型及应用

岩体含水是岩体失稳的重要因素之一。将传统西原模型的线性牛顿体改为非线性牛顿体,克服了传统西原模型不能反映加速蠕变阶段非线性特征的缺点;考虑水对岩体蠕变的影响,将改进西原模型的模型参数设为含水率的函数并引入P元件,P元件所产生的变形代表是由水压的作用引起的变形量;为了量化水压对蠕变变形的影响提出水化因子λ的概念;蠕变过程中岩体的蠕变参数具有时效性,借助损伤力学的方法可以有效地实现岩体材料的劣化及蠕变参数的非定常特性;模型参数中蠕变寿命和极限强度由蠕变试验确定,其余参数由蠕变试验数据运用1st Opt软件反演得到;最后将蠕变模型应用于开挖岩体的蠕变分析中,发现岩体中的水增加了井壁的应力水平,加快了井壁的蠕变变形,这对工程实践有重要的指导意义。     

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。     

一种新的岩石非线性损伤蠕变模型

为描述岩石加速蠕变阶段的非线性变形规律,在广义开尔文体基础上串联一个村山体,基于Kachanov损伤率理论,建立了损伤变量D与蠕变时间的函数关系,并根据Lemaitre应变等效原理将村山体中的无损模型参数p用有效模型参数p(1-D)代替,以此来表征岩石加速蠕变阶段的非线性,建立了一种新的非线性损伤蠕变模型;根据广义塑性力学理论给出了该模型的三维蠕变方程;采用Levenberg-Marquardt非线性优化最小二乘法对红砂岩和绿片岩常规三轴压缩蠕变试验数据进行拟合,反演得到这两种岩石的蠕变模型参数。拟合结果表明:拟合曲线与试验曲线的拟合相关系数R2分别为0.999和0.992,说明该蠕变模型能较好地反映这两种岩石各阶段的蠕变曲线特征。     

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。     

高温合金材料循环相关和时间相关热机械疲劳循环性能模拟

从平衡热力学不可逆系统出发，用非线性粘弹塑性运动强化莱模拟高温合金材料的应变控制热机械疲劳循环特性。讨论了温度变化和应变循环的相位关系，循环相关和时间相关热机械疲劳损伤机制，蠕变和疲劳间的相互作用。在建立本构关系和状态方程时，均考虑了温度变化所产生的影响。     

钢质蜂窝夹芯梁的高温疲劳模型

针对钎焊钢质蜂窝夹芯梁开展高温三点弯曲疲劳实验研究. 结果表明芯子排列方向显著影响结构疲劳性能, 高温下W向试件易于承受循环载荷. 提出基于疲劳模量退化的寿命预测经验函数方法, 其参数与材料性质、载荷环境等因素有关. 该方法可以预测结构疲劳寿命而避免大量重复性实验. 结果表明: 对于L向试件, 剩余模量退化规律可用二阶多项式拟合; 而W向试件则倾向于用指数型函数描述. 从刚度退化方程中得到非线性累积损伤模型, 并与线性Miner准则和试验结果进行了比较, 合理解释了蜂窝夹芯梁的高温损伤问题.      

高温合金材料循环相关热机械疲劳寿命预测

在变温非线性运动强化规律所描述的高温合金材料热机械寿命应力－应变循环特性的基础上，讨论了应变控制的循环相关热机械疲劳寿命预测技术，所建模型采用了由应变以密度表示的损伤参数，并且引入了温度损伤系数，考虑了温度变化范围以及温度循环和应变循环相位关系对疲劳寿命的影响，在确定模型的一些参数，采用等温力学试验和疲劳试验的数据，为了把等温疲劳研究成果推广到变温疲劳分析领域，开辟了新的途径。     

调质42CrMo钢的棘轮-疲劳交互作用及其耦合损伤粘塑性本构模型

对调质42CrMo钢的棘轮-疲劳交互作用的实验结果进行了分析,揭示了材料在非对称应力循环下的全寿命棘轮变形特征和低周疲劳损伤演化特性.在统一粘塑性循环本构模型框架下,基于连续损伤力学理论,提出一个耦合损伤的牯塑性本构模型.该模型中将损伤分为宏观弹性损伤和塑性损伤两部分,并采用不同的损伤演化方程来描述这两类损伤.针对材料不同的失效模式,分别采用损伤变量门槛值和最大应变作为失效判据.将模型应用于调质42CrMo钢单轴应力循环下全寿命棘轮行为的描述和低周疲劳寿命预测中,模拟结果和实验结果吻合较好.     

INVESTIGATION OF FRACTURE DESIGN FOR MEDIUM CARBON STEEL UNDER EXTRA-LOW CYCLIC FATIGUE IN AXIAL LOADING

The extra-low cyclic fracture problem of medium carbon steel under axial fatigue loading was investigated. Several problems, such as the relations of the cycle times to the depth and tip radius of the notch, loading frequency, loading range and the parameters of fracture design for medium carbon steel on condition of extra-low axial fatigue loading were discussed based on the experiments. Experimental results indicated that the tension-pressure fatigue loading mode was suitable for extra-low cyclic fatigue fracture design of medium carbon steel and it resulted in low energy consumption, fracture surface with high quality, low cycle times, and high efficiency. The appropriate parameters were as follows： loading frequency 3-5 Hz, notch tip radius r = （0.2-0.3） mm, opening angle α = 60°, and notch depth t = （0.14-0.17）D.     

基于总循环应变能的疲劳寿命计算模型

从总循环应变能的角度出发, 提出了一个新的疲劳寿命计算模型, 通过对30CrMnSiA 钢和AISI 4340钢两种材料的的疲劳寿命计算, 并与相关实验数据对比, 证明了该模型计算疲劳寿命较为准确.     

镍基单晶合金非对称循环载荷低周疲劳实验研究与寿命预测

对三种不同晶体取向的DD3单晶合金试样在680℃温度下进行非对称循低周疲劳试验,表明晶体取向对疲劳寿命有显著影响.用取向函数修正总应变范围可在很大程度上消除晶体取向对疲劳寿命的影响,引人参量k表示非对称循环载荷对疲劳寿命的影响,它与循环寿命之间呈幂函数关系.根据影响单晶合金低周疲劳寿命的主要因素,提出由总应变范围、取向函数和参量k构成循环塑性应变能的计算方法.用塑性应变能作为损伤参量导出单晶合金低周疲劳寿命预测模型,利用DD3单晶合金低周疲劳试验数据进行验证,光滑试样和缺口试样试验数据分别落在2.6倍和2倍的偏差分布带内.     

推导材料不同$K_t $中值疲劳曲线的损伤力学方法

从损伤力学出发,得到材料的中值疲劳曲线表达式．通过分析,得到了影响材料S-N曲线的材质参数及其相互关系．通过升降法和成组法试验,获得K_t=1．0时对应材料的中值疲劳曲线,即材质参数．在此基础上,只需通过升降法得到任意应力集中系数K_t下的疲劳极限,即可得到该应力集中下对应的中值疲劳曲线．     

304不锈钢室温和高温单轴循环塑性的实验研究

对304不锈钢进行了室温和高温单轴应变控制和应力控制下的系统循环试验。揭示和分析了循环应变幅值、平均应变及其历史和温度历史对材料应变循环特性的影响以及应力幅值、平均应力及其历史以及温度对循环棘轮行为的影响。也讨论了应变循环和应力循环间交互作用对材料循环塑性行为的影响。研究表明,无益单轴应变循环特性还是非对称单轴应力循环下的棘轮效应不仅取决于当前温度和加载状态,而且强烈依赖于其加载历史。研究得到了一些有助于304不锈钢室温和高温单轴循环行为本构描述的结果。