考虑表面加工缺陷的轮盘疲劳寿命分析方法

为了将表面加工状态引入零构件概率寿命分析中,提出并建立了考虑表面加工缺陷的轮盘疲劳寿命分析方法。将孔的表面加工缺陷简化为表面裂纹和/或角裂纹,导出裂纹深度密度函数;借助裂纹应力强度因子经验公式及有限元分析,提出轮盘孔边裂纹应力强度因子计算的推广经验公式方法。建立了3种考虑表面缺陷尺度分布时轮盘概率寿命计算方法。以钛合金盘为例,在获得的表面缺陷分布条件下,计算了给定寿命的轮盘疲劳寿命失效概率及故障率。仿真结果表明:采用该方法可以将表面加工缺陷对疲劳寿命的影响引入构件寿命评估体系。     

表面裂纹的分区混合元分析

 本文对三维体表面裂纹问题进行分析,应用应力和位移的渐近解在表面裂纹区域构造一个奇异应力单元,采用分区混合有限元法计算裂纹顶端各个位置的应力强度因子。     

涡轮盘销钉孔损伤容限分析新方法及其应用

本文提出温度及离心载荷作用下三维构件损伤容限分析方法。该方法采用新型双重边界元法分析温度及离心力载荷作用下的涡轮盘三维裂纹应力强度因子 (SIF) ,并结合 Paris公式及 Euler法获得涡轮盘销钉孔边裂纹扩展形状及裂纹扩展寿命 ,进而采用二次估计方法获得涡轮盘裂纹扩展寿命修正值。利用新型双重边界元法分析了销钉载荷、温度场、裂纹形状对轮盘孔边三维裂纹应力强度因子的影响 ,并对以往涡轮盘销钉孔边裂纹扩展寿命分析工程方法的近似性进行了讨论。文中算例表明采用本文方法分析复杂载荷三维裂纹扩展寿命具有效率高、建模方便的优点。     

一种高效准确的三维权函数法及其应用

应力强度因子解是材料和结构的疲劳断裂分析必不可少的条件。工程实际中大量的裂纹问题常以非穿透形式的三维裂纹出现。由于问题的复杂性,它们的求解一般要采用昂贵的数值计算方法,因此发展简单,经济而又具有满意精度的求解三维裂纹应力强度因子的方法在理论和实践上都有很大的意义,长期以来一直是断裂力学领域的一项重要课题。近年来作者致力于三维裂纹分析的权函数理论及应用的研究,发展出了一种效率高、精度好、使用简单、适用范围广的三维权函数法,并用它求解了一大批在工程上有重要意义的三维裂纹问题。本文是对这一工作的概述,文中介绍了这一方法的基本理论及对内埋椭圆裂纹、孔边表面裂纹及角裂纹、缺口表面裂纹及角裂纹、平板表面裂纹及角裂纹这七类典型的三维裂纹问题的应用。     

基于三维裂纹尖端应力场的应力强度因子计算方法

提出一种基于无限大体裂纹尖端弹性应力场理论解的前几项多项式函数,对实际裂纹体弹性应力场有限元解进行拟合来计算应力强度因子的方法.该方法在计算应力强度因子时不需要预先假设裂纹尖端的应力应变状态,应力强度因子计算结果更符合三维裂纹体裂纹尖端实际的应力应变状态.首先基于二维无限大板中心穿透裂纹应力场理论解验证了方法的有效性,探讨了拟合确定应力强度因子需要的多项式应力函数的项数.然后分别以二维大板中心穿透裂纹、三维大体内埋圆裂纹和三维有限厚板中心穿透裂纹的应力强度因子计算为例,通过与无限大板和无限大体应力强度因子理论解以及基于位移外推法和1/4节点张开位移法的应力强度因子有限元解的对比分析,验证了该方法的有效性和合理性.研究表明该方法能够合理反映三维裂纹体裂纹尖端的实际应力应变状态,计算得到的应力强度因子数值更合理.      

表面裂纹疲劳扩展和寿命计算的高效高精度数值分析方法

基于弹性力学理论,建立了三维裂纹应力强度因子计算的混合边界元法基本理论和数值求解技术;针对表面裂纹疲劳扩展过程中,需要计算每个裂纹扩展步下的应力强度因子,从而需要重复计算大型非对称系数矩阵问题,提出了仅在初始裂纹状态下一次计算主控矩阵,对于随后的疲劳裂纹扩展,只需做非常小规模矩阵的计算,且以显式形式给出应力强度因子解而无需求解大型线性代数方程组的方法,大大提高了计算效率;针对疲劳裂纹扩展过程中,单元需要不断重新划分问题,由于混合边界元法中的主控矩阵与裂纹无关,故只需对裂纹表面单元进行重新划分,对半椭圆表面裂纹,由于将其映射到单位半圆上划分单元,而单位半圆上的单元在疲劳扩展过程中不变,从而通过映射关系自动重新划分裂纹表面单元。最后,通过若干算例和试验,考核了本文方法的精度和可靠性。本文的研究为工程结构表面裂纹疲劳扩展和寿命计算的高效高精度数值分析建立了理论基础和实现方法。     

单边缺口拉伸试样喷丸强化残余应力及其三维应力强度因子分析

采用有限元计算软件ABAQUS/Explicit建立40Cr钢单边缺口拉伸(SENT)试样喷丸强化的三维有限元模型,分析各喷丸参数与强化后残余应力场的关系。用三维裂纹权函数法求解了三维表面裂纹在喷丸残余应力场下的应力强度因子,并分析各喷丸参数对残余压缩应力强度因子K_res的影响。计算结果表明:当裂纹尺寸较小时,表面残余压缩应力越大,残余压缩应力强度因子绝对值-K_res越大;随着裂纹尺寸的增加,残余压应力层越深,-K_res最大值的发生位置也越深;当裂纹达到一定尺寸时,-K_res受残余压应力场深度变化规律的影响,即残余压应力场的深度越大,-K_res越大。     

锪窝孔边扇形角裂纹应力强度因子的三维有限元分析

 根据航空等领域内锪窝铆接及锪窝锣接构件的典型结构特征,采用三维的十节点四面体等参有限单元模型,分别对无裂纹及孔边含裂纹锪窝孔 /直通孔结构进行了模拟分析;得到了锪窝孔构件的危险部位及90°,120°锪窝孔边扇形角裂纹的应力强度因子,给出了覆盖面广的计算曲线;通过对计算结果的分析,讨论了裂纹长度、孔径以及板厚等因素对应力强度因子的影响。和已有的文献比较表明,本文数值结果精确,方法可靠。     

高低周复合载荷燕尾型榫连接微动疲劳的试验研究

分析了国内外对飞机发动机轮盘和叶片的燕尾型榫连接构件微动疲劳的研究现况,对榫连接构件进行受力分析,设计了实验装置,通过实验,认为该实验装置是可行的。通过边界元素法进行了数值计算,分析接触表面当量应力、摩擦功,以及当量应力和摩擦功对疲劳损伤的影响。      

发动机零部件稳态应力计算的状态函数法

借鉴发动机气动参数相似准则的基本思想, 提出了根据典型工作点的应力结果直接推算出其它状态点的状态函数法.利用该方法可以快速计算发动机任意状态点的稳态应力、位移、温度, 可以便捷地为构件寿命预估提供应力谱, 使发动机零部件寿命计算过程大大简化.该方法在发动机零部件寿命预估和管理等方面有较高的实用价值.      

孔边裂纹塑性应变疲劳扩展试验研究

简介了循环J积分ΔJ*path体系,以16MnR钢单边椭圆孔边裂纹试件进行了6种循环应力比的恒幅应变疲劳裂纹扩展试验,采用材料应变疲劳循环加载条件下的应力-应变关系,通过弹塑性有限元素法计算ΔJ*path参量,研究了孔边高应变区裂纹塑性应变疲劳扩展规律。结果表明：ΔJ*path能够作为缺口高应变区裂纹塑性应变疲劳扩展的控制参量,与裂纹扩展速率da/dN之间的指数关系,可通过相同材料的标准试件应力疲劳裂纹扩展由Paris公式与ΔJ*path=ΔK2/E转换得到。     

喷丸强化7475-T7351铝合金的小裂纹行为和寿命预测

对7475-T7351铝合金进行了喷丸强化和未喷丸(机械加工后抛光)单边缺口拉伸(SENT)试样的小裂纹扩展行为试验研究,利用权函数法(WFM)和叠加原理分析计算了三维表面小裂纹在外加载荷和残余应力场联合作用下的应力强度因子(SIF),并将其加入到基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析程序FASTRAN3.9中,采用该程序预测了均布外载荷σmax=160MPa、R=0.06下,喷丸强化和未喷丸SENT试样自然萌生裂纹扩展的a-N曲线。研究发现喷丸强化残余压应力对疲劳小裂纹扩展速率的降低是疲劳寿命延长最主要的原因,采用基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析方法能够较好地定量描述喷丸强化的疲劳延寿作用。     

基于能量模型的三维穿透裂纹扩展研究

利用能量释放率与应力强度因子的关系,给出了裂纹尖端的有效能量释放率;裂纹稳定扩展时有效能量释放率恰好等于裂纹扩展阻力,利用裂纹尖端前沿各点的有效能量释放率相等关系,提出了一种基于能量模型的三维穿透裂纹扩展形貌计算方法,可以计算不同厚度试样的三维穿透裂纹扩展形貌,并通过不同厚度单侧裂纹板的有限元仿真计算和试验进行了验证.仿真与试验结果表明:利用基于能量模型的三维穿透裂纹扩展形貌计算方法可以确定三维结构的裂纹扩展形貌;随着单侧裂纹板厚度的增加,裂纹尖端“隧道效应”消失,裂纹扩展形貌转变为“马鞍”形;试样自由面处的裂纹扩展速率要小于中面处的裂纹扩展速率.      

飞力轮试验盘槽底裂纹损伤容限分析

用有限元和J积分相结合的方法, 确定飞力轮试验盘裂纹尖端参量随裂纹尺寸的变化规律, 并根据材料的断裂韧性确定临界裂纹长度。最后算出裂纹疲劳扩展寿命。计算结果与试验结果基本一致。      

三维矩形板1/4椭圆角裂纹的通用权函数

对三维矩形板1/4椭圆角裂纹的通用权函数进行了研究.基于有限元方法计算了裂纹面承受沿宽度方向的均布、线性分布和2次分布应力时的参考应力强度因子解,建立了形式较为统一、较高精度以及适用范围相对更宽的参考应力强度因子近似表达式.在此基础上获得了三维矩形板1/4椭圆角裂纹的通用权函数,最后采用裂纹面分别承受3次、5次和7次幂函数分布应力下的应力强度因子有限元解对通用权函数的计算精度进行了检验和验证.结果表明:建立的通用权函数相比已有的通用权函数精度由4%(A点)和6%(B点)提高到1.06%(A点)和1.6%(B点),补充验证的7次幂函数分布载荷下的应力强度因子通用权函数解的精度达到3.67%(A点)7.45%(B点).      

平面应力裂端约束与J控制裂纹稳态扩展

利用有限元法计算模拟了紧凑拉伸和中心裂纹两种试样在Ⅰ型平面应力条件下的裂纹准静态扩展过程。结果表明:两种不同的薄板试样中扩展裂纹尖端约束和应力场完全满足静态裂纹HRR奇异性解的相应要求,即对于扩展裂纹J主导裂端场条件依然有效。值得注意的是:与平面应变情形相反,在平面应力条件下,较高的J主导水平发生在纯拉伸条件下,而较低的J主导水平发生在纯弯曲条件。由两种试样实测及有限元计算模拟的平面应力J阻力曲线符合良好。因而,作为一个独立于试样几何的准则,平面应力J阻力曲线适于表征材料抵抗裂纹稳态扩展阻力,并且能够合理地用于评估给定材料状态条件下的薄壁含裂纹构件和结构的安全性。     

基于原子内聚力与表面能等效的内聚裂纹模型

 从非局部连续介质理论出发,采用一种新的理性力学方法对裂纹前缘内聚应力分布规律进行研究。首先,在内聚裂纹表面引入非局部应力边界条件,从而将内聚区内表面诱发张力(非局部表面残余)与内聚应力等价联系起来;然后,利用能量平衡关系,得到仅与表面能密度相关的I型裂纹内聚力新的本构方程。最后,在推导结果的基础上,计算一个具体的脆性断裂算例研究内聚区内表面能与内聚应力随裂纹张开位移(COD)变化的分布规律。由计算结果发现,裂纹尖端应力奇异性消除,且应力最大值不一定出现在裂纹尖端,而是发生在裂纹尖端周围的内聚区内。     

多孔多裂纹平板的疲劳裂纹扩展试验与分析方法

飞机结构广布疲劳损伤是目前大型客机损伤容限设计与分析的难点。通过试验研究了典型多孔多裂纹2024-T3铝合金平板的裂纹扩展行为。试验结果表明：相邻孔边裂纹之间的相互干扰明显降低了共线多裂纹平板的疲劳裂纹扩展寿命。就本文研究的典型多孔板,所有孔边都出现了等长裂纹这一极端情况,其裂纹扩展寿命是单孔平板孔边裂纹扩展寿命的10%左右。本文采用Eshelby夹杂理论和权函数法给出了典型多孔多裂纹问题的应力强度因子近似解析解,并结合Paris裂纹扩展公式预测疲劳裂纹扩展寿命。与采用有限元法获得应力强度因子并预测多孔多裂纹板的疲劳裂纹扩展寿命进行对比,对比结果表明：采用解析解和有限元解获得的应力强度因子预测的疲劳裂纹扩展寿命与试验结果吻合良好;相比于有限元法,本文的应力强度因子解法简单、高效,将有助于飞机结构多位置损伤（MSD）的疲劳裂纹扩展寿命预测分析。     

加劲板的二维复合型广义J积分

 本文以虚功原理与本构方程为基础导出了加劲板二维复合广义J积分J₁与J₂,证明了它们的收敛性、守恒性并且导出了J₁、J₂与应力强度因子K₁K₁的关系。在此基础上,本文采用两种有限元计算了含有斜裂纹的加劲板应力强度因子。计算结果表明,这个复合广义J积分的守恒性很好,由两种元素所得结果相当一致,相对误差在工程所允许的范围之内。