疲劳载荷下单向陶瓷基复合材料界面摩擦力识别

为了确定疲劳加载过程中不同循环数下界面摩擦力的大小,对单向陶瓷基复合材料(CMCs)的疲劳迟滞行为进行了研究,提出了单向CMCs疲劳载荷下界面摩擦力识别方法。基于剪滞模型,确定了疲劳峰值和谷值应力下纤维应力分布。并基于数形结合的方法推导了迟滞环割线模量的理论值与界面摩擦力之间的函数关系。将迟滞环割线模量的实验值与理论值进行比较,识别了不同循环数下界面摩擦力的大小。结果表明,在前1000个循环内,界面摩擦力从9.89MPa 减小为5.28MPa,并在随后的循环内保持近似不变,说明疲劳过程中界面磨损主要发生前1000个循环内。     

一种TiAl合金高温低循环疲劳性能及失效机理

通过对TiAl合金进行总应变范围控制的高温(750℃)低循环疲劳实验,研究双态(Duplex,DP)和全片层(Fully Lamellar,FL)组织形态对TiAl合金低循环疲劳性能和寿命的影响,并采用总应变幅-寿命方程对两类组态TiAl合金低循环疲劳寿命进行预测。结果表明:在相同温度和应变条件下,DP组态TiAl合金稳态迟滞回线对应的平均应力明显低于FL组态TiAl合金稳态迟滞回线对应的平均应力;采用总应变幅-疲劳寿命方程能够准确预测两种组态TiAl合金在750℃下的疲劳寿命,预测寿命基本位于试验寿命的±2倍分散带以内;另外,DP组态TiAl合金的疲劳源区位于试样的近心部,而FL组态TiAl合金的疲劳源区位于试样的次表面,两类组态TiAl合金的高温疲劳失效机理存在明显差异。     

2.5维机织复合材料疲劳寿命预测方法

针对疲劳载荷作用下的2.5维机织复合材料,建立了疲劳寿命预测方法.该方法主要包括单胞模型、疲劳失效判定准则和材料性能退化方法3部分.选取单胞模型为研究对象,利用三维有限元技术进行应力分析;引入改进的三维Hashin疲劳失效准则和Mises准则作为纤维束和树脂基体的疲劳失效判据;采用刚度性能突降准则描述疲劳失效后的材料性能,采用考虑纤维体积分数影响的剩余刚度和剩余强度退化模型描述失效前材料的性能.通过疲劳寿命预测值与试验值的对比,验证了疲劳寿命预测方法的有效性.研究表明:经向拉-拉疲劳寿命随经纱纤维体积分数增大而增加,纬向拉-拉疲劳寿命受纬纱纤维体积分数影响较小.      

用塑性滞后能原理估算随机载荷下的疲劳寿命

 材料的疲劳损伤包括静力损伤和循环损伤,静力损伤为第一次静力加载引起的塑性应变能与静力韧性之比；循环损伤由循环塑性滞后能与疲劳韧性之比来计算,计算中计及了材料循环硬化（或软化）引起的屈服应力增大（或减小）的影响。为了简化计算,假设在循环加载时应力一应变曲线均按迟滞回线规律变化；不同应力变程下材料疲劳韧性可由对称循环的应力控制疲劳试验确定。本文提出了一种比较合理又便于工程应用的、用塑性滞后能原理估算随机载荷下疲劳寿命的新方法,初步的试验验证是令人满意的。     

金属加筋壁板疲劳裂纹扩展研究

进行了铝合金工字型长桁加筋壁板的疲劳裂纹扩展分析与试验研究。利用线弹性断裂力学和有限元法计算工字型长桁加筋壁板的应力强度因子,以NASGRO软件中的裂纹扩展率方程及考虑载荷交互作用的广义Willenborg模型为基础,利用循环接循环进行裂纹扩展计算寿命,并与试验数据相比较。结果表明,预测的寿命与试验结果吻合较好。     

界面层参数对陶瓷基复合材料单轴拉伸行为的影响

采用细观力学方法研究了界面层参数对陶瓷基复合材料单轴拉伸行为的影响.在剪滞模型基础上提出了考虑界面相与界面层效应的力学简化模型,结合临界基体应变能准则、最大剪应力准则、临界纤维应变能准则确定基体裂纹间距、界面脱黏长度和纤维失效百分数,对考虑界面层影响的陶瓷基复合材料拉伸应力-应变曲线进行了模拟,讨论了界面层体积分数、弹性模量及泊松比对拉伸行为的影响,并与试验结果进行了对比,发现考虑界面层及界面相的影响时,界面脱黏和纤维失效段应力-应变曲线与试验数据更接近,预测效果更好.      

DZ125光滑试样与小孔构件低循环/保载疲劳寿命建模

依据定向结晶合金DZ125光滑试样的低循环/保载疲劳试验寿命数据,提出一种预测定向结晶合金低循环/保载疲劳寿命的模型.此寿命模型可以同时考虑材料的晶向、平均应力、应变范围、应变比、最大应力对寿命的影响.接着研究DZ125合金光滑试样低循环/保载疲劳寿命与小孔构件低循环/保载疲劳寿命的关系,提出一种从光滑试样低循环/保载疲劳寿命数据预测小孔构件低循环/保载疲劳寿命的方法.应用本文提出的寿命模型,预测DZ125带小孔构件的低循环/保载疲劳寿命,并将预测寿命与小孔构件试验寿命对比,误差在2倍分散带左右.      

TMF本构和寿命模型:从光棒到涡轮叶片

针对空心涡轮叶片，发展了考虑瞬态变温效应的热机械疲劳（TMF）本构模型和寿命预测方法。第一，以某涡轮叶片用定向凝固合金DZ125为对象，开展了光棒、缺口TMF试验，结合已有的高温疲劳试验数据，获得了相位、温度范围、应力集中等因素对TMF寿命影响规律；第二，利用材料微观组织分析手段，揭示了导致光棒和缺口TMF失效的疲劳裂纹萌生机理；第三，借助于Chaboche本构模型，进行了各向异性、变温、蠕变损伤修正，建立了考虑变温效应的循环-蠕变本构模型，实现了DZ125合金拉伸、等温循环、蠕变、疲劳-蠕变以及TMF应力应变响应的统一建模和预测；第四，发展了疲劳-蠕变-氧化损伤累积的TMF寿命模型，利用简单纯疲劳和蠕变基础数据获得了寿命模型参数，并进一步发展了名义应力法预测了缺口模拟件的TMF寿命；最后，以某涡轮叶片为对象，进行了模拟飞行载荷谱条件下的瞬态变形响应计算和叶片TMF寿命预测。     

二维三轴编织复合材料压缩失效行为的细观有限元模拟

为研究典型二维三轴编织复合材料（2DTBC）的压缩破坏机理，建立了细观有限元模拟方法体系。提出了反映编织复合材料真实几何特性的单胞模型建模策略，根据Murakami-Ohno损伤理论建立了各向异性损伤模型来模拟纤维束中的损伤起始和扩展行为，通过引入波动系数描述了纤维束的起伏状态，并采用内聚力单元来模拟界面分层。在此基础上，分析得到了二维三轴编织复合材料在压缩载荷下的破坏过程，研究了压缩载荷下纤维束和界面层的损伤演化，探讨了纤维束波动对压缩性能的影响规律。通过与相关试验结果对比，该模型能够准确预测二维三轴编织复合材料在面内压缩载荷下的力学响应和主要失效行为，以及自由边效应。细观失效过程分析结果表明，二维三轴编织复合材料轴向压缩的破坏是由轴向纤维束的纤维压缩失效主导的；横向压缩破坏则是由偏轴纤维束的纤维压缩失效引起的。     

基于疲劳寿命的复合材料舱体分级优化分析

为构建三维应力状态复材结构疲劳寿命模型,提出由刚性元和弹簧元来模拟层间作用,结合二维板元构建三维有限元模型。借助典型应力比下的疲劳试验结果和损伤模型,结合等寿命曲线转化理论,发展一种任意应力比下的疲劳寿命分析方法。引入复合累积损伤建立多轴循环应力下的疲劳寿命模型。借助应力分析、静强度和疲劳累积损伤失效分析及材料性能退化模型,模拟面内和层间损伤产生、发展直至整体破坏过程,得到疲劳寿命。通过层合板疲劳寿命预测值和试验结果对比,验证所建模型的正确性。考虑设计变量空间复杂性,采用二级优化方法:系统级布局优化和子系统级尺寸优化。采用自适应遗传算法,以质量最小为目标函数,以疲劳寿命要求为约束条件,对复材舱体进行优化。建立基于多轴应力疲劳寿命的复材结构优化框架,为复材结构优化设计提供参考。      

材料循环应力-应变行为及循环应变寿命的研究

材料的循环应力-应变行为以及循环应变与寿命的关系是材料的主要疲劳特性,用局部应力 -应变法计算构件疲劳裂纹形成寿命时要用到它们。使用这些疲劳特性的不同描述方法给寿命计算带来的误差差别很大。依据试验结果对目前的一些描述方法作出比较,并指出较为合理的选择。     

基于漏斗试样的C250钢高温扭转低周疲劳行为

C250钢的扭转疲劳破坏是其主要失效形式之一。为了获得航空材料C250钢的扭转疲劳特性,并消除等直圆棒试样在扭转试验中产生的弊端,依据漏斗试样完成了C250钢在3种高温(150、200、350℃)环境下的扭转低周疲劳试验,获得了在扭转低周疲劳下的扭矩-名义扭转角曲线。基于试验结果,利用FAT方法分析得到了C250钢在3种高温环境下的材料循环本构关系,利用该循环本构关系对漏斗试样进行三维扭转有限元分析,获得漏斗根部剪切应力与扭矩之间的转换公式及漏斗根部剪切应变与名义扭转角之间的转换公式。基于以上试验与分析方法,得到了材料的剪切应变幅-倍循环次数曲线、剪切应力幅-循环分数曲线以及剪切应力-剪切应变的稳定滞回线,发现材料呈现出循环软化特性,并基于Manson-Coffin模型对材料寿命进行了分析。     

镍基单晶高温合金热机械疲劳行为与寿命建模

通过DD6单晶薄壁管试样机械应变控制热机械疲劳(TMF)试验,获取温度交变、相位角以及载荷控制方式对单晶应力应变响应与疲劳寿命的影响规律。结果表明:温度交变会引起明显的应力不对称性并造成额外损伤,导致TMF寿命明显低于最高循环温度的等温疲劳(IF)寿命,并且反相(OP)循环寿命普遍要低于同等载荷的同相(IP)循环,这种寿命变化趋势与应力控制存在明显差异。采用Walker本构模型进行单晶材料在不同TMF循环下的滑移系黏塑性分析,构建单晶TMF损伤与滑移系细观应力应变参量的关联。在此基础上,选取最大Schmid应力、最大滑移剪应变率、滑移剪应变范围、循环Schmid应力比作为损伤参量,建立基于细观参量的TMF寿命模型,其对不同相位、不同载荷控制方式的TMF寿命预测精度均在2倍分散带内。      

Modified micro-mechanics based multiscale model for progressive failure prediction of 2D twill woven composites

To consider fiber random distribution at the microscale for the multiscale model based on the micro-mechanics failure (MMF) theory, clustering method is used for the extraction of amplification factors. As the clustering method is a kind of unsupervised machine learning method, the elements with similar mechanical behavior under external loading can be included in a cluster automatically at the microscale. With this modification, the fiber random distribution model can be used for multiscale damage analysis in the framework of MMF theory. To validate the modified multiscale analysis method, progressive damage analysis of a kind of 2D twill woven composites is conducted based on different microscale models. The stress values for microscale models with fiber hexagonal and random distribution patterns are compared first. Much higher stress concentration is generated in the fiber random distribution model due to the smaller inter-fiber distance especially under longitudinal shear loading. The obtained cluster distribution results exhibit the characters of the stress distribution in the two microscale models. Thereafter, tensile and compressive responses of the 2D twill woven composite are predicted with the modified multiscale analysis method and accuracy of the method is verified through comparison with published experimental results. From the simulation results, it can be found that the matrix damage initiation from the model based on the fiber random distribution model is premature compared with that from the model based on the fiber hexagonal distribution model. Besides, under tensile loading, the damage all initiates from the fill tows and propagates to the wrap tows. However, under compressive loading, the matrix damage initiates from the wrap tows in the model based on the fiber random distribution model.     

复杂载荷下疲劳寿命估算

 本文给出了LY12CZ铝合金板材的循环硬化规律;以材料在循环载荷作用下累积的塑性滞后能作为疲劳损伤准则,证明了应力控制等幅循环加载条件下损伤累积随循环次数变化的非线性,导出了材料瞬态塑性应变能的计算公式,算出了破坏发生时材料耗散的总塑性应变能,并给出了它与应力变程的关系。文中把疲劳损伤分为静拉伸损伤与循环损伤两部分,给出了损伤累积模型。以该模型为基础,计算了两级加载、4级加载和程序加载下光滑试件的疲劳寿命。计算结果与试验结果符合很好。     

基础随机激励下纤维增强复合薄板振动疲劳寿命预报

针对传统有限元建模黑箱操作多、计算成本大、不具有自主知识产权等问题,基于经典层合板理论,随机振动理论和Miner线性积累损伤准则,建立了基础随机激励下纤维增强复合薄板振动疲劳寿命预测的解析模型。基于应力模态法,推导了纤维增强复合薄板的应力频响函数,在考虑随机激励的基础上,得到了结构的随机振动等效应力功率谱密度函数。通过Dirlik、Bendat和Benasciutti-Tovo三种频域模型对应的概率密度函数,成功求解了相应的振动疲劳寿命。另外,采用ANSYS与nCode软件对模型及其预测结果的正确性进行了验证,研究发现该模型寿命计算结果相对于商业软件计算结果的偏差不超过14.8%,但计算效率提高了17%～33%。因此,该模型可为预测随机激励下各向异性复合薄板的振动疲劳问题,提供一种思路和工具。     

基于应力分布模型的随机疲劳加速试验设计

将两段式S-N曲线应用于Dirlik随机振动疲劳寿命预测模型，分段计算各自的疲劳损伤并进行叠加。基于该模型所模拟的应力幅值分布，推导了在两段式S-N曲线的情况下激励放大倍数同疲劳寿命之间的等效关系，并提出了基于该等效关系的加速试验寿命换算方法，为加速试验应力等级的确定提供了参考。针对随机振动中小应力幅占比较大的情况，该方法优化了这一部分的损伤计算方式，同时该方法还可以推广至超高周疲劳等需要使用多段式S-N曲线表达疲劳性能的情况中去，得到更加贴近实际的理论疲劳寿命与加速寿命间的等效关系。通过分析算例表明，在两段式S-N曲线下，应力与寿命也大体呈现出了两段式的对数线性关系，并使用文献中的试验数据进行了验证。