低周载荷对高周裂纹裂尖塑性区的影响

为探明高低周复合疲劳裂纹扩展中高低周载荷交互作用机理,采用弹塑性有限元模型模拟了含中心裂纹试件在高低周载荷交互作用下裂尖塑性区的变化.结果表明:低周载荷的卸载作用导致高周载荷对应的裂尖反向塑性区明显减小,裂纹闭合水平也因此降低,进而加速裂纹扩展,致使高低周复合疲劳裂纹扩展寿命降低.在此基础上,对比研究了低周载荷应力比、高周载荷应力比、高低周载荷循环比对裂尖反向塑性区的影响.结果表明:随着低周载荷应力比降低、高周载荷应力比增加,循环比的减少,均导致低周载荷的卸载作用增加.      

某型燃气轮机封严盘疲劳裂纹机理分析

为了系统研究某型燃气轮机封严盘疲劳故障的现象、机理、特点和原因,进行了封严盘故障损伤痕迹、断口形貌、材料成分、金相组织等分析;同时进行了强度(应力)和模态振动特性方面的有限元计算研究,在此基础上进行了共振特性分析。分析结果表明:该封严盘结构设计存在薄弱环节,其均压孔孔边径向应力水平高,孔边表面状态不佳,在一定振动应力作用下,均压孔边容易产生高周性质的疲劳裂纹。对防止某型燃气轮机封严盘产生疲劳裂纹失效提出修理和使用中应控制的要点。     

燃油调节器壳体裂纹失效分析

针对某型燃油调节器壳体裂纹故障提出一种分析定位方法。通过实物质量分析、光谱分析和ANSYS结构强度仿真,排除材料缺陷和设计缺陷,将故障问题逐渐收敛定位于外部载荷环境的影响,结合断口和疲劳试验载荷谱利用裂纹疲劳弧线反推分析萌生裂纹机理,采用列表梯形法计算出壳体裂纹萌生寿命,将故障分析定位在高周疲劳试验区间。根据高周疲劳寿命试验数据进行频谱扫描,分析高周疲劳试车中发动机转速频率特性、燃油调节器固有频率,并统计试车累计工作时间。结果表明:外部激励频率与燃油调节器的固有频率存在频率上的重合导致了共振失效。为燃油调节器裂纹故障的分析定位提供了思路和方法,可为航空发动机控制体系的发展与研究提供技术支持。     

锻造TC4钛合金电子束焊接接头的疲劳破坏机制

对锻造TC4钛合金电子束焊接(EBW)接头进行了应力控制的高周疲劳试验和应变控制的低周疲劳试验,利用扫描电子显微镜对疲劳断口进行观察与分析,研究了疲劳裂纹的起裂机制.研究结果表明:所有的高周疲劳试样裂纹起裂位置和最后断裂位置均发生在母材区,而低周疲劳试验试样断裂位置表现出不确定性,在焊缝区和母材区均可导致裂纹起裂.高周疲劳载荷下,裂纹起源于表面滑移;低周疲劳时,裂纹可能在接头母材区的表面起裂,也可能在接头焊缝的内部缺陷处起裂,裂纹起裂模式取决于载荷大小.      

IC10单晶高温合金室温和750℃高周疲劳行为

在涡轮叶片服役过程中,疲劳是其失效的重要原因之一,而已有研究主要针对不同应变速率下IC10合金1 100℃低周疲劳性能展开,本文研究定向凝固IC10单晶高温合金静态空气介质环境下室温和750℃高周疲劳性能。在应力比R=-1、f≈83.3Hz条件下,进行高周疲劳试验,并利用扫描电镜对疲劳断口进行观察;基于试验观测结果,讨论室温和750℃下IC10单晶高温合金高周疲劳性能差异的内在机制。结果表明:IC10单晶室温疲劳强度为288 MPa,750℃疲劳强度为416 MPa;裂纹萌生于试样表面或近表面缺陷处,断口主要由裂纹萌生区、稳态扩展区和组成。     

非对称载荷下TC17合金超高周疲劳试验

通过试验研究了110Hz和20kHz两种频率正弦式非对称载荷作用下TC17合金材料的疲劳失效行为,结果表明:载荷频率对TC17合金的疲劳强度和疲劳失效机理影响不明显,两种频率载荷作用下TC17合金的疲劳失效均存在表面诱发疲劳失效和内部诱发疲劳失效。表面诱发的疲劳失效主要是由循环载荷作用下试样机械加工缺陷和表面滑移所导致的,内部诱发的疲劳失效主要是由于材料初生α相在非对称循环载荷作用下发生解理断裂而导致的,失效形式的不同使得材料的应力-疲劳寿命（S-N）曲线呈双线性。萌生于TC17合金试样内部的疲劳裂纹可分为3个阶段:初生α相的解理断裂阶段、短裂纹扩展阶段和长裂纹扩展阶段。由裂纹萌生区特征可以确定室温条件下,应力比为0.1时,TC17合金疲劳长裂纹扩展门槛值为3.3MPa·m1/2。      

高温合金线性摩擦焊接头疲劳裂纹扩展有限元分析

为了表征高温合金线性摩擦焊接头疲劳服役环境下疲劳裂纹的萌生及扩展行为,揭示裂纹扩展对接头失效的影响机制,基于有限元法研究高温合金线性摩擦焊接头疲劳裂纹扩展的行为及其重要影响因素.以接头失效内因(孔洞、硬质夹杂、残余应力)为研究对象,建立不同几何和位置特征的含有初始孔洞及夹杂的疲劳接头有限元模型,研究不同特征下疲劳接头裂...     

外物损伤对不锈钢疲劳强度的影响

基于空气炮法,针对不锈钢平板试样开展了外物损伤（FOD）模拟试验,使用三维体式显微镜观测了损伤的宏观特征,并用扫描电子显微镜观测了损伤的微观特征,模拟外物损伤具有挤压变形、材料的剪切丢失、塑性变形等宏观特征和微小裂纹、塑性变形、微小缺口、片层结构等微观特征.采用步进法对FOD试样进行了高周疲劳试验,试验结果表明FOD使试样的疲劳强度相对未损伤试样下降超过14%,并且随损伤尺寸的增大,试样的疲劳强度基本呈降低的趋势.疲劳源区多为损伤处的微小缺口或微小裂纹,说明FOD为疲劳裂纹的萌生和扩展提供了有利条件.      

高强铝合金疲劳特性研究

研究了室温大气环境下不同应力比R和不同应力集中系数Kt条件下2E12高强铝合金的高周疲劳性能,并利用扫描电镜及透射电镜对合金疲劳断口附近的微观组织及疲劳断口进行了分析.研究结果表明,在同一应力水平下,2E12高强铝合金的疲劳寿命随着应力比R的增大而提高;Kt=1时合金的疲劳寿命远远大于Kt=3时合金的疲劳寿命,表明此合金具有明显的缺口效应.疲劳断口由疲劳源区、裂纹扩展区及瞬断区组成.第二相对疲劳裂纹的萌生起着重要的作用,并且初步讨论了有关的疲劳断裂机理.     

确定高周应力疲劳S-N曲线的方法研究

基于三参数幂函数法处理高周疲劳S-N曲线,提出了一种在短寿命区采用低周疲劳试验数据、长寿命区采用高周疲劳试验数据联合确定材料高周疲劳S-N曲线的方法.联合处理方法的应用在有效利用低周疲劳数据、节约试验经费和缩短试验周期的同时,获得了理想的S-N曲线.用FGH95合金500℃单晶合金DD3[001]取向850℃的高、低周疲劳数据对该方法进行了验证,结果表明:联合处理方法不仅在长寿命区与单纯用高周疲劳数据处理得到的S-N曲线吻合很好,而且将S-N曲线延伸到中、低寿命区,有效地保证了S-N曲线的完整,联合处理方法可以用来确定材料的高周S-N曲线.     

涡轮盘榫槽高温复合疲劳试验方案研究

针对某型航空发动机二级涡轮盘榫齿高温复合疲劳裂纹故障，采用全尺寸真实涡轮盘作为试验件，设计了一套新型试验方案，着重解决了高低周疲劳载荷的加载并互不干扰、高频感应局部加温（５５０℃恒温）、高周振动振幅控制以及裂纹检测等几大关键技术，载荷谱与加温均模拟外场真实情况。试验完全实现了故障再现，这说明：该试验方案设计合理，易于推广到其它多种构件的复合疲劳试验，在工程应用研究中具有重要意义。     

GLALL层板疲劳裂纹扩展特性分析

对玻璃纤维/铝合金混杂复合层板GLALL的疲劳裂纹扩展特性进行了有限元分析, 应用能量法得到了GLALL板铝合金层裂纹尖端的应力强度因子随裂纹长度的变化规律。由于高强度玻璃纤维对铝合金层裂纹的桥接作用, 降低了裂纹尖端的应力强度因子, 因而使得裂纹的疲劳扩展速率也大为降低, 且随裂纹长度的增加基本不变化。计算结果与实验符合很好。      

轻、重腐蚀涡轮盘榫齿高温复合疲劳试验研究

针对某型发动机二级涡轮盘榫齿裂纹故障,设计了一套新型试验加载方案,对涡轮盘枞树型榫槽进行了高温复合疲劳试验研究,得出了多通道传力结构的复合疲劳裂纹扩展规律,进而对比了轻、重两种腐蚀状态的涡轮盘榫齿高温复合疲劳寿命,给出了重腐蚀盘较轻腐蚀盘的寿命明显降低,且分散性大的结论,为制订轮盘腐蚀判废标准提供了依据。     

超声疲劳裂纹扩展性能的计算与分析

简述了超声疲劳试验机的工作原理以及应用超声疲劳试验技术研究工程结构材料疲劳裂纹扩展性能的实验方法。通过三维有限元计算及动态模态分析,研究了包括整体裂纹扩展试件及聚能器在内的振动体的应力、应变场和位移场,导出了确定裂纹尖端应力强度因子的位移法和能量法,并对这两种计算分析方法的特点以及所得到的结果进行了分析对比。计算与分析结果表明,应用能量法研究超声疲劳载荷下的裂纹尖端应力强度因子及疲劳裂纹扩展性能,具有简明和计算精度高等突出优点。      

燃烧室进油管焊缝裂纹失效分析

燃烧室进油管沿周圈出现开裂现象,对它进行外观检查、断口分析、冶金分析及综合分析,结果表明燃烧室进油管在氩弧焊焊接过程中由于焊接不当,导致在焊缝收弧处产生焊接缺陷——咬边及焊瘤,且焊缝处于尺寸变化较大的部位,容易产生应力集中,在工作过程中萌生裂纹并疲劳扩展。     

A fatigue damage-cumulative model in peridynamics

While the present structural integrity evaluation method is based on the philosophy of assumed similitude, Fatigue and Damage Tolerance (F&DT) evaluations for next generation of air-vehicles require high-fidelity physical models within cyberspace. To serve the needs of F&DT evaluation in digital twin paradigm, a fatigue damage-cumulative model within peridynamic framework is proposed in this paper. Based on the concept of fatigue element block and damage accumulation law in form of Coffin-Manson relationship, the proposed model applies to both fatigue crack initiation and fatigue crack growth; fatigue crack growth rates under constant-amplitude and simple variable-amplitude block loading cases can be well predicted for three common structural materials without inputs of Paris law parameters. Additionally, the proposed model can also be easily extended to a probabilistic version; for verification, multiple-site-damage problems are simulated and the statistic nature of fatigue process in experiments can be well captured. In the end, main features of the proposed model are summarized, and distinctions from the other models are discussed. There may be a potential for the peridynamic damage-cumulative model proposed in this work to numerically predict fatigue problems in digital twin paradigm for future generations of aerospace vehicles.     

Evaluation of mixed mode-I/II criteria for fatigue crack propagation using experiments and modeling

In this study, in-plane mixed mode-I/II fatigue crack growth simulations and experiments are performed for the Al 7075-T651 aluminum alloy which is widely used in the aerospace industry. Tests are carried out under different mode mixity ratios to evaluate the applicability of a fracture criterion developed in a previous study to mixed mode-I/II fatigue crack growth tests. Results obtained from the analyses and experiments are compared with existing and developed criteria in terms of crack growth lives. Compact Tension Shear (CTS) specimens, which enable mixed mode loading with loading devices under different loading angles, are used in the simulations and experiments. In an effort to model and simulate the actual conditions in the experiments, crack surfaces of fractured specimens are scanned, crack paths are modeled exactly, and contacts are defined between the contact surfaces of a specimen and the loading device for each crack propagation step in the analyses. Having computed the mixed mode stress intensity factors from the numerical analyses, propagation life cycles are predicted by existing and the developed mixed mode-I/II criteria and then compared with experimental results.     

超声振动载荷下合金的疲劳裂纹扩展性能研究

本文应用超声共振试验技术研究了4种工程常用合金(Astroloy, 17-4PH, Ti-6Al-4V, Al-Li8090)在超声振动载荷(f=20kHz, R=-1)下的疲劳裂纹扩展性能, 并与常规疲劳载荷(f≤50Hz, R=0.7)下材料的有关性能做了对比分析。对超声疲劳载荷下材料损伤及裂纹扩展机理的特点做了研究, 给出了这种特定载荷形式下应力强度因子的计算方法。研究结果表明, 超声疲劳载荷下各种合金的裂纹扩展性能与常规疲劳试验中确定的有效应力强度因子△Keff类同。      

Fatigue crack propagation of new aluminum lithium alloy bonded with titanium alloy strap

A new type of aluminum lithium alloy (Al-Li alloy) Al-Li-S-4 was investigated by test in this paper. Alloy plate of 400 mm · 140 mm · 6 mm with single edge notch was made into samples bonded with Ti-6Al-4V alloy (Ti alloy) strap by FM 94 film adhesive after the surface was treated. Fatigue crack growth of samples was investigated under cyclic loading with stress ratio (R) of 0.1 and load amplitude constant. The results show that Al-Li alloy plate bonded with Ti alloy strap could retard fatigue crack propagation. Retardation effect is related with width and thickness of strap. Flaws have an observable effect on crack propagation direction.     

A theoretical model of semi-elliptic surface crack growth

A theoretical model of semi-elliptic surface crack growth based on the low cycle strain damage accumulation near the crack tip along the cracking direction and the Newman–Raju formula is developed. The crack is regarded as a sharp notch with a small curvature radius and the process zone is assumed to be the size of cyclic plastic zone. The modified Hutchinson, Rice and Rosengren(HRR) formulations are used in the presented study. Assuming that the shape of surface crack front is controlled by two critical points: the deepest point and the surface point.The theoretical model is applied to semi-elliptic surface cracked Al 7075-T6 alloy plate under cyclic loading, and five different initial crack shapes are discussed in present study. Good agreement between experimental and theoretical results is obtained.