C250钢漏斗试样扭转低周疲劳研究

通过轴向循环拉压实验获得漏斗试样载荷-位移(P-V)曲线,并基于该曲线和有限元反演分析方法获得了材料的循环本构关系。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角之间的转换公式,实现了漏斗试样扭转低周疲劳的研究。应用该方法,完成了C250钢漏斗试样常温下一条曲线的扭转低周疲劳实验,揭示了C250钢的疲劳行为,并给出了该材料的Manson-Coffin寿命预测模型。     

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。     

单晶高温合金低循环疲劳寿命的三维应力应变模型

将正交各向异性材料屈服函数中的等效应力的概念进行了推广,给出了单晶材料在三维交变载荷作用下疲劳损伤等效应力幅和等效塑性应变幅的计算公式。用等效应力幅和等效塑性应变幅对单向应力作用下的低循环疲劳寿命模型进行修正,提出了一种单晶材料在三维交变载荷作用下的低循环疲劳寿命模型。用所提出的三维低循环疲劳寿命模型预测了单晶材料PWA1480的低循环疲劳寿命,同时与试验结果进行了比较。     

考虑应力松弛的缺口疲劳寿命预测方法

为了能够快速准确获得循环载荷条件下缺口局部应力应变并用于缺口疲劳寿命预测,基于粘塑性本构方程及光滑试样循环应力应变试验结果,发展了一种应力应变简化计算方法,采用该方法计算得到的光滑试样循环应力应变结果与试验结果的误差在5%以内,并将该方法结合寿命预测方程采用迭代的方式用于粉末高温合金FGH97单边圆形缺口试样疲劳寿命预测。结果表明:所发展的方法充分考虑了FGH97合金单边圆形缺口试样缺口根部区域的应力松弛,取得了较好的寿命预测结果,其分散带基本在2倍以内。     

基于多线性本构与损伤耦合的叠层陶瓷基复合材料数值预测方法

本文提出一种用于预测复杂应力状态下叠层C/SiC损伤破坏的有限元渐进损伤方法（FE-PDM），并提出与试验载荷—位移曲线、损伤等进行对比、迭代并最终确定模型参数的反演方法。FE-PDM方法包括基于应变控制的3D失效准则，正交各向异性多线性本构关系，基于刚度矩阵的损伤因子耦合方法，以及预测分层的内聚力方法。通过2D叠层C/SiC的面内拉伸、面内剪切、三点弯曲试验分别验证了FE-PDM方法，并分别采用扫描电子显微镜及X射线技术对试样断口形貌和内部损伤进行了分析。结果表明，通过较少的控制参数，FE-PDM方法可精确地预测2D叠层C/SiC各阶段的应力—应变曲线拐点、损伤起始与演化过程及载荷—位移响应曲线等，并与试验结果吻合良好。     

利用小尺寸缺口试样测定延性材料的单轴本构关系

提出了一种利用三点弯曲试样获取延性材料本构关系的测试方法：针对小尺寸缺口试样的三点弯曲线载荷-位移曲线,采用有限元辅助测试（Finite-element-analysis aided tests,FAT）方法,迭代获得材料代表性体积单元（Representative volume element,RVE）本构关系。研究表明,两种延性材料的有限元迭代反求结果和单轴拉伸试验结果吻合较好。应用该方法,可以采用小尺寸缺口试样来获取延性材料的本构关系。     

延性材料断裂准则与平面应变断裂韧度

延性材料的临界断裂规律对结构完整性评价和金属塑性成形分析具有重要意义,但相关的弹塑性断裂强度研究长期存在瓶颈。本文针对30Cr2Ni4MoV低压转子钢和3Cr13不锈钢,完成了不同应力三轴度的4类试样拉伸破坏试验,基于FAT （Finite-element-analysis Aided Testing）方法,通过有限元迭代分析实现试样的载荷-位移关系逼近,进而获得材料直至断裂的全程等效应力-应变关系,并以此通过有限元正向分析获取4种试样的临界断裂阈值和临界应力三轴度,提出了基于临界断裂单元的应力三轴度与第一主应力阈值之间的对数型断裂强度准则。结果表明,2种材料、4类试样的FAT阈值分析结果与断裂强度准则符合良好。最后,基于断裂强度准则提出了依据I型裂纹尖端的应力分布预测材料平面应变启裂断裂韧度的新方法,并获得了30Cr2Ni4MoV低压转子钢和3Cr13不锈钢的平面应变启裂断裂韧度,结合临界断裂准则和裂纹静态扩展机理,提出了I型裂纹的材料J阻力曲线的理论预测方法,并给出了30Cr材料的预测结果。     

TiAl合金低循环疲劳行为与寿命预测模型

通过400 ℃和750 ℃下的单轴应变控制低循环疲劳（LCF）试验获取了一种TiAl合金循环变形行为和低循环疲劳寿命。合金在应变循环载荷下具有较稳定的循环特性,未出现明显的循环软化或循环硬化现象。Ramberg-Osgood方程能够较好地描述合金的循环应力-应变关系,疲劳寿命与总应变幅值近似呈对数线性关系。材料在750 ℃条件下呈现韧性断裂特征,在400 ℃条件下材料脆性特征较为明显。试件失效以层状组织跨层断裂为主,且层间断裂现象都随应变幅的增加而大幅减少,值得注意的是材料在750 ℃时氧化速度明显加快。与Manson-Coffin模型相比较,Cruse-Meyer模型尽管数学形式更简单,材料常数更少,但对具有低温度高应力的叶片榫头部位的寿命预测精度不高,不宜直接用于钛铝合金叶片寿命预测。      

2.5维自愈合C/SiC复合材料的拉伸应力-应变关系

根据2.5维自愈合C/SiC复合材料的细观结构特点,基于界面开裂和基体开裂的损伤机理,分别建立了该材料经向和纬向拉伸的细观力学模型,进而得到了经向和纬向拉伸的非线性应力-应变关系,应力-应变曲线的预测结果与试验值吻合较好.结果表明:纬向应力-应变曲线的最大预测误差为9%,经向应力-应变曲线的最大预测误差约为10%,经向和纬向的应力-应变关系不同.该模型采用切线弹性模量和平均裂纹间距的方法,省去了以往模型复杂的应变计算过程,使模型得到简化,便于应用.      

圆片小冲杆试验新方法与航空材料力学性能互换

针对具有结构材料微损取样优势的圆片小冲杆试验,基于能量密度等效理论,建立了关联圆片微试样小冲杆试验载荷、位移、几何尺寸和材料单轴力学律参数的载荷-位移模型;进而针对航空金属材料,提出了单轴拉伸试验结果与小冲杆试验结果之间实现材料力学性能互换的小冲杆试验新方法。对5种航空金属材料完成了小冲杆试验及传统拉伸试验,结果表明,新方法所得圆片微试样的应力-应变曲线与单轴拉伸试验结果密切吻合,所得弹性模量与单轴拉伸试验结果之间相对误差在10%以内,所得塑性延伸强度和抗拉强度与单轴拉伸试验结果相对误差大部分在5%以内。新方法有望促进小冲杆试验在服役结构安全评价中的应用。     

考虑静水压力和LODE 角的塑性模型 在GH4169 合金上的应用

针对典型盘用镍基高温合金GH4169,采用Bai-Wierzbizki(B-W)塑性理论对其塑性变形行为进行建模和应用评估。B-W塑性理论假设金属材料塑性变形仍服从von Mises屈服准则,但屈服函数考虑了静水压力和LODE角(偏应力第3不变量)对塑性行为的影响。采用Abaqus/Explicit商业有限元软件编制了该塑性模型的用户材料子程序,设计开展了GH4169合金的光滑、缺口圆棒和缺口平板拉伸试验,基于有限元分析和优化方法确定了B-W模型相关材料参数,对GH4169合金光滑和缺口拉伸响应曲线进行有限元预测,并与试验结果进行对比分析。结果表明:B-W模型预测的GH4169合金缺口圆棒和平板拉伸响应曲线与试验结果非常吻合,而基于传统von Mises塑性模型预测的GH4169合金缺口拉伸响应曲线均明显高于试验曲线。     

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。     

Semi-analytical model for flat indentation of metal materials and its applications

The increasing use of small material components in a wide range of industrial fields necessitates the development of an accurate and robust indentation testing method. To this end, this paper proposes an Energy-density-equivalence for a Flat Indentation (E-FI) model based on the energy density equivalent principle. The proposed model describes the relationships among the material parameters of Hollomon’s power law (H-law), flat indenter diameter, energy, and indentation displacement. An E-FI Method (E-FIM) that determines the H-law parameters of materials through the indentation test is also developed. The energy-displacement curves forward-predicted by the E-FI model (based on known H-law parameters of materials) and the H-law parameters of materials given by the E-FIM (based on known energy-displacement curves) are consistent with the results of Finite Element Analysis (FEA) and the H-law parameters of materials used as the input for FEA, respectively. Using E-FIM, the goodness of fit for both stress–strain curves with H-law, predicted based on the displacement with 2% signal interference, and that for stress–strain curves without interference is more than 0.98. The stress–strain relations predicted by E-FIM were consistent with the results obtained via uniaxial tensile tests of ten ductile materials.     

层合陶瓷基复合材料多尺度应力-应变计算模型

对层合陶瓷基复合材料(CMCs)的应力-应变行为进行了研究。基于多尺度分析方法，实现了由组分性能参数到层合陶瓷基复合材料整体应力-应变的计算。采用可实现单向纤维增强陶瓷基复合材料应力-应变计算的细观力学模型，由材料的细观组分性能计算出单向板的非线性弹性性能，并将单向板的弹性性能作为层合复合材料模型的输入参数，通过有限元法计算层合陶瓷基复合材料的整体应力-应变响应。与试验数据的对比表明:采用该模型可以实现层合陶瓷基复合材料在单调拉伸载荷及拉伸加卸载条件下应力-应变曲线的预测，其中数据的最大偏离为19.61%.      

复合材料层压板疲劳特性的试验研究

1.引言 最初人们认为复合材料对疲劳载荷不敏感,因为它们在拉一拉载荷下对应干10~7次循环的疲劳强度与静强度十分接近,显示了极其优越的抗疲劳性能。但进一步的研究却发现,与一般的金属材料不同,复合材料对以压为主的疲劳载荷比较敏感,在这些载荷下的寿命明显地低于拉-拉疲劳载荷下的寿命。因此,复合材料的疲劳问题重新受到了注意,而且对它的研究也主要集中在压缩载荷的范围内。尽管已投入了大量的人力,但由于复合材料     

单晶高温疲劳损伤参量的选取与寿命建模

高温疲劳损伤是引起单晶涡轮叶片破坏的主要因素之一。利用不同试验条件下DD6标准试件的低周疲劳和蠕变-疲劳试验结果,结合基于滑移系的黏塑性应力-应变分析,分别研究了晶体取向、应变范围、平均应变以及保载时间等对单晶高温疲劳损伤的影响机制。进而采用滑移剪应变最大的滑移系作为临界滑移系,选取临界滑移系上的最大Schmid应力、最大滑移剪应变率、循环Schmid应力比以及滑移剪应变范围等细观参量作为损伤参量,建立了一种新的基于临界平面的循环损伤累积（CDA）模型。结果表明,该模型对于DD6高温疲劳寿命预测精度基本在3倍分散带内。     

针刺陶瓷基复合材料损伤本构模型及构件应力分析

基于连续介质损伤力学方法提出了适用于针刺陶瓷基复合材料的各向异性损伤本构模型.该模型考虑了拉伸与剪切损伤的影响.通过试验得到了材料的拉伸和剪切的应力-应变曲线,采用曲线拟合获得了本构模型的参数.应用用户子程序技术将本构模型写入商用有限元软件,计算所得拉伸和剪切的应力-应变曲线与试验曲线比较吻合,最大误差分别为5.62%和1.47%.使用该损伤本构模型及弹性模型计算了航空发动机尾喷管调节片在气动和温度载荷下的力学响应,两者计算所得应力分布相似,但损伤本构模型计算值明显小于弹性模型计算值.      

材料疲劳循环特性研究

 本文提出用计算分析模拟疲劳实验得到循环应力-应变曲线。列举材料计算的循环应力-应变曲线与实验结果相符合。     

低周疲劳寿命的试验研究

用GH33A钢制成圆柱形棒、鼓形平板和带中心孔平板3种试件进行拉-拉低循环试验。试验测定的疲劳寿命与采用局部应力-应变法预测的寿命结果符合较好。随着应力集中系数的增加,试验寿命与预测寿命之比有所增大。实验中,一次超载造成较大的寿命降低。由于较厚板缺口处存在双向应力-应变状态,较厚试件的疲劳寿命比较薄平板的寿命长。