基于临界距离理论的TC4合金缺口试样 低循环疲劳寿命预测

对TC4合金缺口试样的临界距离和低循环疲劳寿命分别进行了分析和预测.研究了缺口临界距离与疲劳寿命、载荷比、应力集中系数的相关关系及其对寿命预测结果的影响.研究结果表明:TC4合金缺口试样的临界距离不仅与疲劳寿命有关,还与载荷比和应力集中系数相关.载荷比相同时,临界距离与疲劳寿命之间可采用幂函数经验公式来描述.载荷比为-1和0.1时,TC4合金缺口试样的临界距离-疲劳寿命曲线基本重合,当载荷比增大为0.5时,临界距离明显增大.载荷比和疲劳寿命相同时,临界距离与应力集中系数近似成反比关系.寿命预测结果表明:采用临界距离理论预测TC4合金缺口疲劳寿命时,要获得更准确的疲劳寿命预测结果,应同时考虑临界距离与疲劳寿命、载荷比以及应力集中系数等因素的相关性.      

考虑应力梯度的轮盘疲劳寿命预测

考虑应力梯度和尺寸效应对寿命的影响,通过引入应力梯度影响因子,将缺口试件与光滑试件的疲劳寿命相关联,建立了基于Walker平均应力修正的缺口试件寿命预测模型,进而结合三维弹性有限元分析对发动机涡轮盘进行了寿命预测.结果表明:所发展的寿命模型能较好地反映影响疲劳寿命的多种因素,尤其是应力集中对试件疲劳寿命的影响,综合考虑平均应力、应力梯度和尺寸效应的轮盘寿命预测结果更接近试验值,对GH901标准试件和轮盘的疲劳寿命预测结果都在2倍分散带以内.      

几何参数对涡轮榫连接微动疲劳寿命的影响：仿真

基于涡轮榫连接结构高低周疲劳试验结果，确定微动疲劳损伤控制参量并建立寿命预测模型。建立涡轮榫连接结构的参数化模型，开展有限元计算，结合试验数据分析了等效应力、接触压力、摩擦力、滑移量等多种损伤参量与微动疲劳寿命的相关性，发现综合考虑疲劳和磨损的FFD(fretting fatigue damage)参量与寿命的相关性最高，相关系数达97%。基于幂函数形式拟合了FFD参量与微动疲劳寿命的关系式，榫连接结构的微动疲劳寿命预测误差在1.5倍分散带内。开展了FFD参数对几何参数的敏感性分析，从数值仿真角度获取不同几何参数对微动疲劳寿命的影响规律：微动疲劳寿命对压力角最敏感，且呈现负相关性。     

考虑小载荷强化的模糊疲劳寿命预测理论

在实际工程应用中,多选用Miner法则进行疲劳寿命预测。由于小载荷特别是在疲劳极限附近的载荷对结构或材料的损伤不容忽略,考虑到小载荷的每一次循环对材料产生损伤的同时还产生了强化作用,建立了基于小载荷强化损伤的寿命预测模型以及相应的模糊疲劳寿命计算公式。该模型不但考虑了低于疲劳极限的载荷的强化作用,还引入隶属函数来描述小载荷的累积损伤的模糊性,完善了Miner法则的适用范围,提高了预测精度。两个不同载荷谱的疲劳寿命预测实例验证了该模型的有效性。     

复合材料层合板疲劳逐渐累积损伤寿命预测方法

针对疲劳载荷作用下的纤维增强复合材料层合板, 发展了疲劳逐渐累积损伤寿命预测方法.该方法主要包括应力分析、失效分析及材料性能下降三部分.其中, 应力分析是通过三维有限元数值分析技术实现的;失效分析采用改进的Hashin静态失效准则判断疲劳损伤的产生和扩展;材料性能是基于突降和渐降两种准则进行退化的.所发展的方法可以预测不同铺层顺序、不同几何尺寸的复合材料层合结构在疲劳载荷下的损伤起始、扩展、直至结构最终破坏整个过程, 并预测其疲劳寿命.同时, 在ANSYS软件平台上, 开发了相应的参数化复合材料层板结构的疲劳逐渐损伤分析程序.与已有文献结果比较, 误差在10%以内.      

考虑应力梯度的缺口疲劳寿命预测方法

基于试样缺口根部区域应力分布规律,综合考虑了平均应力、应力梯度及尺寸效应的影响,发展了一种考虑梯度影响的缺口疲劳寿命预测方法.以TC4合金材料含两种形式缺口的试样为例,计算得到了缺口应力梯度影响因子和尺寸效应影响因子,并进行了疲劳寿命预测.寿命预测结果表明:引入缺口局部平均应力、应力梯度影响因子和尺寸效应影响因子可以较为全面地考虑缺口对试样疲劳寿命的影响,基于所发展的缺口疲劳寿命预测方法给出的TC4合金缺口试样疲劳寿命预测结果在2倍分散带以内.      

基于连续介质损伤力学的高温微动疲劳寿命预测模型

建立了一种基于连接介质损伤力学(CDM)的高温微动疲劳寿命预测模型用以分析航空发动机榫连接结构在不同温度下的微动疲劳寿命。该模型在现有的基于非线性疲劳损伤累积(NLCD)模型微动疲劳寿命预测模型的基础上，引入温度相关的损伤速率因子以考虑温度对榫连接结构微动疲劳行为的影响。以某型发动机钛合金TC11燕尾榫结构模拟件为研究对象开展不同温度下的微动疲劳寿命数值模拟预测研究，预测结果与试验结果相比在2倍误差范围以内，证明了此寿命预测模型的有效性。      

典型缺口件疲劳寿命分析方法

通过对典型缺口件疲劳寿命分析方法进行系统的回顾,按照疲劳缺口效应描述参数的不同将缺口件疲劳分析方法划分为3类:局部应力应变法、应力梯度法和临界域法.结合4种不同缺口几何下的LY12CZ铝合金缺口件的低周疲劳试验数据,对上述3类方法进行的验证对比可以发现:考虑了应力梯度和应力场分布的方法(如临界域法和应力梯度法)对缺口件疲劳寿命的预测结果与试验结果吻合较好而局部应力应变法预测精度较差,其中应力场强法还能够正确地预测疲劳破坏位置.      

高低周载荷作用下燕尾榫结构的微动疲劳寿命预测

为预测在高周和低周载荷共同作用下,燕尾榫连接结构的微动疲劳寿命,采用高低周等效应力比代替传统经验预测模型中的等效应力,并考虑到摩擦功的影响,对微动疲劳寿命预测经验模型进行改进。通过燕尾榫连接结构的高低周微动疲劳试验,拟合了改进微动疲劳寿命预测模型中的三个系数;采用该模型对相关文献中的燕尾榫连接结构微动疲劳试验结果进行预测,结果表明,微动疲劳寿命预测的最大误差降低了约50%。     

铸件中显微孔洞特征及其对疲劳寿命影响的研究进展

铸件在铸造过程中会不可避免地产生显微孔洞,严重降低了铸件疲劳寿命。本文综述铸件中显微孔洞特征(尺寸、形状和空间分布)对疲劳寿命的影响,包括显微孔洞类型,孔洞特征分布规律,孔洞最大尺寸预测方法和含孔洞材料疲劳寿命预测方法;通过对疲劳寿命预测模型的回顾,发现目前含显微孔洞铸件疲劳寿命预测方法还不成熟;展望了显微孔洞特征对疲劳寿命影响的研究。提出未来应该依靠先进光源展开原位疲劳实验或者分子动力学仿真来研究孔洞疲劳失效微观机理,建立考虑不同显微孔洞特征参数,以及不同孔洞间相互影响的疲劳寿命定量预测模型。     

基于塑性应变能的中低周疲劳概率寿命模型

由于材料、尺寸以及载荷等的分散性,涡轮盘疲劳寿命存在较大的分散性。在充分考虑材料加卸载应力、应变及应力比对疲劳寿命影响的基础上,提出了一种适用于中低周疲劳的塑性应变能概率寿命模型。该模型在考虑材料、尺寸和载荷等导致寿命分散的因素的基础上,重点考虑了循环应力应变曲线的分散性,结合根据应力比的二次插值,获得了插值范围内任意应力比下的塑性应变能损伤参量与疲劳寿命的关系。运用所提概率寿命模型结合响应面法与蒙特卡洛法对某涡轮盘螺栓孔模拟试件进行了概率寿命分析。结果显示,模拟试件的计算结果与试验结果的中位寿命仅相差022%,寿命分散系数相差581%,说明本概率寿命模型概率寿命预估精度高。      

行星机构的可靠性分析与计算

行星机构的结构设计缺陷、制造与安装误差、支撑构件刚度不足等原因可能会使系统发生一定程度的偏载,从而会影响整个机构的使用寿命与可靠性。利用最小次序统计量的概念建立了行星齿轮系的可靠度计算模型,模型反映了偏载对齿轮系可靠性的影响。首先,对行星机构进行了详细的运动学和力学分析,计算得到了各个齿轮的随机载荷历程。根据Miner线性疲劳累积损伤法则,将随机载荷历程转化为等效恒幅载荷谱,并将其作为可靠性模型的载荷输入变量。然后,将特定齿轮的疲劳寿命数据进行统计处理,将统计结果作为可靠性模型的强度输入变量。最后,根据模型的计算结果定量地说明了偏载对行星齿轮系可靠性的影响程度,同时利用随机截尾数据处理方法对可靠性模型的有效性进行了验证。     

考虑尺寸效应的缺口疲劳寿命预测方法

利用试样缺口根部归一化应力的分布规律，在考虑应力梯度的缺口疲劳寿命预测方法的基础上，着重考虑尺寸效应对缺口疲劳寿命的影响，构建了综合考虑平均应力、应力梯度和尺寸效应的缺口疲劳寿命预测方法.利用已有的TC4合金缺口疲劳试验数据对所发展的方法进行了验证，并与常用的几种局部应力应变法的寿命预测结果进行了对比分析.结果表明:所对比的几种局部应力应变法的寿命预测结果过于保守，而所发展的缺口疲劳寿命预测方法的预测结果几乎全在3倍分散带以内，且大多数预测结果在2倍分散带以内.      

基于导波原位检测的复合材料疲劳表征与寿命预测研究

随着复合材料在先进飞行器结构中占比的逐渐增加,复合材料在服役过程中力学性能的变化对飞行器整体的安全至关重要。为了实现基于导波原位检测的飞行器复合材料整体部件疲劳评估和寿命预测,首先,从宏观和细观的角度研究复合材料疲劳损伤演化规律;在此基础上,通过分析导波波场信息,探究导波相速度、模态能量比等特征在表征复合材料疲劳方面的潜力;其次,从复合材料损伤机理出发,建立导波相速度与疲劳损伤累积的演化模型;然后,构建深度学习框架,以数据驱动的方式从导波波场中提取疲劳演化特征;最后,提 出基于贝叶斯模型平均方法的疲劳演化模型,对复合材料剩余疲劳寿命进行预测。结果表明：通过提取和分析导波特征信息,可以准确地对复合材料疲劳状态进行表征,结合贝叶斯模型平均方法和置信区间准则,实现了在试件疲劳破坏之前的剩余寿命预测。     

基于场强法的燃烧室机匣后衬套安装座疲劳寿命预测

由于局部应力应变法存在缺陷而引入场强法,对缺口构件的疲劳寿命预测问题进行研究。给出了应力场强法估算缺口构件疲劳寿命的基本框架和分析计算步骤,通过算例对场强法重要参数场径的影响因素、应力集中系数和权函数进行了探讨,并对场强计算中的有限元网格细化问题进行了初步探讨。采用场强法和局部应力应变法对某型发动机燃烧室机匣后衬套安装座进行了疲劳寿命预测。结果表明：利用场强法预测出的寿命更接近试验结果。     

脉冲爆震轴向载荷对双半内圈球轴承疲劳寿命的影响

针对脉冲爆震涡轮发动机(PDTE)中的周期性、强非定常轴向载荷可能导致滚珠轴承可靠性降低的问题,应用损伤力学理论和有限元法建立了PDTE中双半内圈球轴承的疲劳寿命预测模型,研究了在脉冲爆震燃烧室(PDC)引入的周期性、强非定常轴向载荷作用下双半内圈球轴承的疲劳寿命。研究结果表明双半内圈球轴承的两个半内圈均在接触区次表面最大切应力位置处萌生裂纹,随后裂纹逐渐扩展至表面导致轴承疲劳失效。在PDC爆震阶段,由于引起第一半内圈疲劳损伤的切应力范围较小,因此第一半内圈的疲劳寿命较高;而在PDC填充和排放阶段,由于接触摩擦作用以及滚珠滚过第二半内圈时产生较大的切应力范围,从而导致第二半内圈的疲劳寿命较低。在对PDC爆震阶段引入的峰值轴向载荷进行合理设计后,PDTE中双半内圈球轴承的疲劳寿命主要由第二半内圈的接触状态和轴承的润滑条件决定。本文的研究成果为PDTE中滚珠轴承的选型与设计提供参考。     

涡轮叶片耦合疲劳寿命预测与试验验证

为了解决涡轮转子叶片在温度、离心力和气动/噪声联合载荷作用下的疲劳强度问题,开展了高低周复合载荷谱分解方法和基于高低周载荷的全时域蠕变损伤累积模型研究,提出了同时考虑蠕变损伤、低周疲劳损伤和高周疲劳损伤的耦合疲劳寿命预测方法。同时,通过正交载荷解耦和耦合载荷协调加载控制等关键技术的应用,开发了高温环境下的高低周复合疲劳试验平台。最终,基于设计的涡轮叶片模拟件,完成了耦合疲劳寿命预测和试验验证。结果表明:模拟试件的耦合疲劳寿命试验结果分散系数为1.01,耦合疲劳寿命的预测结果与试验结果偏差小于24%,从而验证了疲劳寿命预测模型的正确性,为我国航空发动机热端部件的疲劳强度设计和验证提供了有效的技术途径。      

FGH97缺口试样基于黏塑性本构的弹塑性响应分析

针对缺口试样在高温条件下局部区域应力应变难于测量的问题,基于光滑试样材料力学性能试验,优化得到550℃粉末高温合金FGH97的Chaboche黏塑性统一本构方程参数,并将其应用到FGH97缺口试样单调拉伸及循环加载弹塑性有限元分析中.研究结果表明:①缺口局部区域进入塑性后其应力分布与弹性条件明显不同,随应力增大,最大应力位置向内移动;②在循环载荷条件下,随着循环数的增加,缺口平分线上应力/应变范围变化不大,缺口根部塑性区域出现明显平均应力松弛,并逐渐趋于稳定,导致缺口根部循环载荷比不同于外部施加载荷;③缺口根部塑性区域逐渐增大,但增大的幅度逐渐降低.该研究可为进一步分析缺口构件疲劳寿命影响因素提供支持.