基于非线性连续介质损伤力学方法的微动疲劳寿命预测

微动损伤被称为“工业癌症”,为了更加准确预测微动疲劳寿命,本文提出了一种基于多轴非线性连续介质损伤力学(NLCD)模型的微动疲劳寿命预测方法.该方法在Chaboche NLCD模型基础上,引入临界等效塑性应变幅对其进行改进,得到了适用于微动疲劳的NLCD改进模型,对桥式光滑试件和燕尾榫结构模拟件分别进行了微动疲劳寿命预测,与文献试验结果误差分散带在2倍因子之内,且预测裂纹萌生位置与试验吻合良好,验证了本文方法的有效性.     

TC11钛合金微动疲劳裂纹萌生预测分析

针对航空发动机叶片与盘榫连接结构简化模型的微动失效形式,建立了基于临界平面法预测微动疲劳裂纹萌生的控制模型。该模型引入综合考虑多种微动疲劳影响因素的微动损伤参量CSE(微动综合损伤参量),建立了微动疲劳特性的分析流程,对微动疲劳裂纹的萌生方向、位置和寿命进行了估算。应用CSE控制模型,对失效的TC11钛合金微动疲劳试件的裂纹萌生进行预测,通过比较不同损伤参量的预测结果,验证了CSE预测裂纹萌生的有效性。     

航空装备关键件微动疲劳寿命预测

通过微动疲劳损伤机理分析,以微动疲劳接触应力计算入手,建立了航空装备关键件中一种较为普遍的圆柱/平面接触微动疲劳结构的有限元全局模型和子模型,通过边界条件误差和离散误差分析,提高了计算精度和计算效率。以断裂力学为基础,根据复合型裂纹断裂判据,用改进的裂纹闭合积分法计算了裂纹尖端应力强度因子,引入应力强度因子影响系数,建立了微动疲劳裂纹扩展寿命预测模型,确定了模型中的参数,通过预测寿命与试验值的对比验证了该模型的正确、有效性。     

表面处理对钛合金微动磨损疲劳性能的影响

本文介绍了利用高频疲劳试验机配以一定的附件，测定ＴＣ３钛合金常规疲劳及微动磨损疲劳（简称微动疲劳）的Ｓ－Ｎ曲线。对该合金进行激光、等离子喷镀和喷丸试样的微动疲劳性能显著改善。利用ＴＥＭ及Ｘ光衍射法分析了喷丸试样表层位错密度及残余应力的变化。用错位偶极子及小裂纹的概念分析了微动疲劳裂纹的萌生和扩展机理，从而解释了表面处理对微动疲劳的影响机制。     

桥式试件微动疲劳寿命预测与试验研究

对钛合金桥式试件进行数值分析与微动疲劳试验研究,提出了用MSWT参数预测裂纹萌生位置的方法和基于MSWT参数的微动疲劳寿命预测模型。试验结果与断口分析表明:疲劳裂纹出现在微动试件的接触区边缘,与MSWT参数预测的裂纹萌生位置一致。利用桥式试件的微动疲劳试验数据,获得了寿命预测模型中的相关参数,并采用相关文献中燕尾榫连接结构的试验结果对该预测模型进行了验证。     

LY12CZ铝合金微动损伤机制的研究

通过对LY12CZ铝合金螺栓联接试件的微动损伤试验 ,完整提出了铝合金的微动磨损损伤与微动疲劳损伤的机制。在铝合金的微动磨损机制方面 ,微动损伤区表面的扫描电镜图和化学成分分析表明 ,铝合金的微动磨损是一个复杂过程 ,包括了粘着、磨料、表面疲劳、氧化四个子过程。着重研究了这四个子过程产生的先后顺序以及对微动磨损的影响 ;在铝合金的微动疲劳机制方面 ,分析了铝合金产生扩展性微动疲劳裂纹的原因和过程 ,并根据试验结果说明了微动疲劳裂纹产生的位置以及裂纹扩展的方向等。     

基于数字图像相关方法微裂纹萌生试验研究

为了进一步研究疲劳裂纹在萌生阶段的特点,本文结合数字图像相关方法 (Digital Image Correlation Method,DIC)设计并组建了配合液压疲劳试验机加载的原位观测系统。同时针对DIC测量方法中的关键技术进行研究,分别提出了一种可应用于视场宽度2mm下DIC计算的微小散斑制备方法,以及空间调节方法以提高试验可靠性。最后应用该系统开展针对航空发动机火焰筒材料GH536的微裂纹自然萌生试验。通过采取两种不同的DIC分析策略,分别获得疲劳过程中的总应变幅以及最大累积塑性应变的演化规律。结果表明总应变幅演化可确定自然萌生裂纹位置,最小可识别50μm裂纹;最大累积塑性应变分析可得萌生寿命占比约85%,并在裂纹出现后塑性应变急剧增加。     

转动微动磨损条件下7075铝合金的局部疲劳行为研究

在新型转动微动磨损试验机上,进行了7075铝合金与GCr15钢球配副在不同角位移幅值下的转动微动磨损实验。在磨痕表面形貌及剖面微观分析的基础上,研究了转动微动磨损的局部疲劳裂纹萌生和扩展行为。结果表明:转动微动磨损条件下疲劳裂纹主要分布于混合区,大量的裂纹向基体内部扩展,混合区材料的失效形式主要表现为裂纹的萌生和扩展,并伴随因疲劳磨损所致的片状剥落;在部分滑移区,疲劳裂纹萌生后平行于表面方向扩展,微动损伤主要表现为材料的轻微剥落;在滑移区,在局部接触疲劳和磨损的竞争过程中,疲劳效应减弱且材料磨损占支配地位。此外,疲劳裂纹的形成与转动微动的中心隆起有密切关系。     

ZSGH4169榫连接结构微动疲劳试验

针对航空发动机热端部件涡轮盘榫连接结构微动疲劳现象展开研究,开展了ZSGH4169镍基高温合金榫连接结构在不同温度和不同载荷下的微动疲劳试验。试验发现:在不同工况下,微动疲劳裂纹均产生在榫槽接触区的下缘,且两侧均有裂纹产生。榫连接结构微动疲劳寿命随着试验温度的升高,微动疲劳寿命显著降低;随着载荷的增加,微动疲劳寿命显著降低。温度和载荷都会对滑移幅值产生影响,且微动疲劳寿命随着滑移幅值的增加而降低。使用包含微动疲劳参数的高温微动疲劳寿命预测模型来对ZSGH4169微动疲劳试验进行验证,预测寿命均在2倍误差带内。      

LY12CZ板材疲劳损伤及裂纹形成研究

 受交变载荷的构件,其疲劳损伤裂纹形成阶段在全寿命中占有相当大的比例。已有的疲劳损伤分析要求给出明确的应力或应变控制条件。只有光滑构件才能满足该条件,而缺口构件的疲劳损伤经常发生在缺口根部附近,这里的控制条件是难以准确模拟的。因此对缺口构件的疲劳损伤分析须进行细致的实验观测。     

基于临界面法的燕尾榫连接结构微动疲劳寿命预测

以航空发动机叶片/轮盘之间的燕尾榫连接结构为研究对象,分析了燕尾榫连接结构接触应力与应变的变化.根据多轴疲劳临界损伤平面原理,在燕尾榫连接结构的微动疲劳寿命预测研究中引入多轴临界平面法的疲劳损伤参数CCB (Chu-Conle-Bonnen),FS (Fatemi-Socie),MSSR (modified shear stress rang)和SWT (Smith-Watson-Topper).将预测寿命与试验寿命进行对比,结果表明:在预测微动疲劳寿命时,4个参数中寿命预测的最大误差为23%,可较好地预测低周微动疲劳寿命.其中基于临界平面法的SWT参数预测误差最小,为1.23%;4个参数均预测裂纹萌生位置在接触区末端,与试验结果一致.在预测裂纹萌生角度上,FS,MSSR,SWT参数预测结果与试验较一致,CCB参数预测结果与试验结果相差较大.说明基于临界平面法的寿命预测模型具有较好的预测能力.      

机翼连接耳片微动疲劳裂纹萌生机制

 对歼击机机翼全尺寸模拟疲劳试验的耳片断口进行了观察和分析,从断裂处存在磨痕和磨屑的形貌及耳片受力变形状态,证明耳片属于微动疲劳断裂。本文提出铝合金耳片和钢衬套接触时,微动疲劳裂纹萌生过程的模型。     

In-situ observation and finite element analysis of fretting fatigue crack propagation behavior in 1045 steel

In this paper fretting fatigue crack behavior in 1045 steel is studied by in-situ observation and finite element analysis. in-situ fretting fatigue experiments are conducted to capture real-time fretting fatigue crack formation and propagation process. The fretting fatigue tests under different load conditions are carried out, then the lifetime and fracture surface are obtained. The crack propagation rates under different loading conditions are measured by in-situ observations. With in-situ observation, crack initiation location and direction are analyzed. Finite element model is used to calculate J-integral which then is applied to fitting with experimental crack growth rate, and establishing crack growth rate model. From fitted S-N curve, it turns out that smaller load ratio leads to higher lifetime. Crack initiates slightly below the point equivalent to line contact of the contact surface in different test conditions, and crack direction shows no obvious relationship with load parameters. The established crack growth rate model well agrees with the test results.     

榫连接结构高温低周微动疲劳试验

针对航空涡扇发动机压气机叶片/轮盘连接结构,设计了一种燕尾榫结构高温微动疲劳试验加载装置,开展了TC11钛合金在200℃及500℃下的微动疲劳试验。通过动态位移及动态应变法实现对燕尾榫微动疲劳萌生寿命的监测。试验中发现微动疲劳裂纹均萌生在燕尾榫接触区域的下边缘,且接触表面存在大量的微动磨屑,属于典型的微动疲劳失效形式。试验结果表明:温度环境对微动疲劳寿命的影响较为明显。随着试验温度的升高,试验件的微动疲劳寿命会逐渐减小。      

NiTi合金榫接结构微动疲劳研究及数值模拟

利用NiTi合金的独特性质,提出了将NiTi合金作为压气机榫接结构的材料.通过有限元软件MSC.Marc进行数值模拟,研究在低周、高低周复合载荷作用下NiTi合金抗微动疲劳特性,并提出利用节点的微动综合参数(FFD)值确定危险点,用名义应力法预测构件的微动疲劳寿命的方法.结果表明:提出的微动疲劳寿命预估方法是合理有效的,NiTi形状记忆合金的抗微动疲劳特性明显优于TC11等普通材料.      

湿喷丸处理Ti-6Al-4V合金微动磨损行为影响

采用湿喷丸技术对Ti-6Al-4V合金进行表面强化处理,研究了部分滑移、混合滑移和完全滑移等不同状态下钛合金样品的微动磨损行为,从微动状态角度探讨喷丸强化对钛合金微动磨损行为的影响规律。试验结果显示,喷丸处理对于完全滑移状态下Ti-6Al-4V合金的微动磨损行为影响较小;而在混合滑移状态时,喷丸处理使得微动磨痕的塑性变形积累区消失,有效抑制局部疲劳损伤造成的微裂纹萌生。这是因为喷丸引入加工硬化作用使材料表层局部强度提高,进而改善局部疲劳损伤。     

摩擦系数对燕尾榫微动疲劳特性的影响

在燕尾榫连接接头的微动疲劳特性分析中,考虑接触表面质量,即摩擦系数的影响.给出了摩擦系数对接头应力水平、摩擦功和微动磨损参数之间的关系.分析表明：按照传统方法,将摩擦系数取为常数时所确定的裂纹萌生位置偏于危险,由于摩擦系数的变化,裂纹既可能在榫头上萌生,也可能在榫槽上萌生;摩擦系数对接头的切向应力和摩擦功等参数也有一定的影响.