基于损伤力学的含预腐蚀损伤铝合金的疲劳寿命预测

在工程结构中,腐蚀疲劳破坏是一种常见的现象,腐蚀坑处往往形成疲劳源,严重影响材料的疲劳特性。基于连续损伤力学理论,提出了含预腐蚀损伤铝合金疲劳寿命预测方法。首先,将腐蚀的影响分为2个方面,即腐蚀造成局部初始损伤和腐蚀形成的蚀坑造成局部应力集中;其次,建立了考虑预腐蚀损伤的疲劳损伤演化方程,并实现了相应的数值解法;然后,根据预腐蚀疲劳试验结果与数值计算结果,得到预腐蚀引起的材料初始损伤;最后,采用数值解法,对含预腐蚀坑的铝合金进行了寿命预估,并与试验结果进行对比,验证了所提方法的有效性。      

基于脆性损伤机制的高周疲劳模型

从不可逆热力学耗散理论出发,建立了一个高周疲劳各向同性连续损伤力学模型.与基于延性损伤机制的Lemaitre模型不同,本模型基于脆性损伤机制.它成功地将高周疲劳损伤纳入到统一的热力学框架之内.其损伤演化律考虑了应力比 R的影响.利用本模型,根据对称循环下(R=-1)的高周疲劳SN曲线,可以导出具有任意应力比R的 log S log N 曲线.模型应用于LC9高强度铝合金光滑试件的试验分析,理论计算与实验结果比较,符合良好.     

薄板的后屈曲损伤分析与疲劳寿命预估

针对薄板在面内压缩载荷作用下的后屈曲损伤问题进行了研究,并进一步考虑屈曲与疲劳损伤的耦合作用,预估了薄板的疲劳寿命.首先建立了薄板的有限元模型,通过线性屈曲分析得到屈曲临界载荷和屈曲模态,进而采用大变形理论,将线性屈曲的一阶屈曲模态作为初始位移扰动,进行薄板的非线性屈曲分析,得到屈曲临界载荷.其次,根据损伤力学理论与方法建立了薄板材料在单次加载过程中的损伤演化方程,并根据材料疲劳试验结果进行参数识别,获取损伤演化参数.根据非线性屈曲分析结果和损伤演化方程进行了后屈曲损伤分析.最后,考虑疲劳载荷的作用,基于损伤力学理论,采用有限元数值方法求解,考虑每次加载引起的损伤与后屈曲应力应变场分析的耦合作用,通过反复迭代计算,给出了结构疲劳寿命.本研究为工程结构的后屈曲损伤分析以及考虑后屈曲损伤的疲劳寿命分析提供了一种新方法和实现手段.      

基于刚度下降的疲劳累积损伤模型的研究

复合材料在静态和动态载荷作用下的损伤是十分复杂的,对损伤的精确建模是关系到复合材料力学行为描述的关键问题.从应变等效性假设出发,通过分析和描述疲劳过程中刚度和应变的演化规律,提出能够描述材料疲劳损伤演化过程的、以应变定义的和在疲劳过程中真实地反映材料动态本构关系的损伤因子,建立考虑残余应变的刚度下降复合材料疲劳损伤模型.T300/KH-304是我国新近研制的高性能航空复合材料,应用此模型开展对其疲劳损伤行为的分析与研究.在岛津液压伺服试验机上,加载频率控制在4.1 Hz,对这种材料的层合板进行4个常幅应力水平的疲劳实验,建立了T300/KH-304复合材料的疲劳模型的数学表达,经验证模型优于经典的疲劳模型的S-N曲线拟合精度,最大的误差仅为2.4％,且能反应疲劳损伤的发展规律.      

纤维增强复合材料疲劳寿命预测及损伤分析模型研究进展

随着纤维增强复合材料主承力结构在多领域内的广泛应用,疲劳成为复合材料结构设计必须面对的问题,出现了大量用于复合材料结构疲劳寿命预测及损伤演化的分析模型与方法。目前的复合材料疲劳性能分析模型可以分为疲劳寿命模型、唯象模型和渐进损伤模型。对这3类模型的发展情况进行了综述和对比分析。其中,疲劳寿命模型原理相对简单,适用于工程结构的寿命估算;唯象模型建立了材料剩余强度/刚度与循环数的数学关系,可以预测结构的寿命与材料剩余力学性能;渐进损伤模型不仅可以预测结构寿命和材料剩余力学性能,还能分析结构疲劳损伤机理。对各类疲劳性能分析模型的发展趋势进行了讨论。指出了降低实施成本和提高通用型是各类疲劳性能分析模型有待解决的问题。      

二维编织C/SiC复合材料板疲劳损伤分析

为探索复合材料损伤的基本规律,首先,基于损伤力学,结合Tsai-Hill强度理论,提出了表征二维编织C/SiC复合材料损伤各向异性的损伤演化方程;然后,在商业有限元软件ANSYS环境中进行了二次开发,形成了考虑材料刚度随损伤折减的损伤模拟程序;其次,对二维编织C/SiC复合材料板模型进行了损伤模拟分析,结果表明材料损伤过程中应力与损伤度对单元破坏起共同作用;最后,对损伤演化方程的形式提出了讨论与改进,并通过模拟计算揭示了复合材料在损伤驱动力及材料特性作用下损伤呈现各向异性演化的特征,说明材料各向异性损伤是其材料特性及受载形式产生的必然结果。      

飞机结构疲劳关键部位损伤与可靠性评定技术

从分析结构疲劳失效和损伤演化的本质特征,得到了以疲劳损伤描述的结构可靠性分析模型,并在此基础上,给出了使用过程中飞机结构疲劳关键部位的损伤与可靠性评定技术和相应参数指标.该方法以一般环境下全尺寸结构疲劳试验结论的完整资料和服役中记录的每架飞机飞参数据为主要依据,能够实现利用每架飞机的飞参适时地对其结构损伤状态与可靠性给出评估,满足飞机结构疲劳损伤监控技术的需求.最后结合某型飞机的具体服役情况给出评估示例.研究表明,采用该方法可适时地计算出某型飞机结构的疲劳损伤和可靠性,并可为使用方合理决策提供重要参考信息,以在保障结构安全可靠的前提下合理地调配使用飞机.      

基于AQSSE方法的基础隔震结构损伤识别

提出自适应二次误差平方和(AQSSE,Adaptive Quadratic Sum-Squares Error)方法对基础隔震结构进行在线损伤识别实验研究.建立基础隔震结构实验模型,进行振动实验.实验过程中采用一套刚度元件装置在线模拟结构损伤,测量模型加速度响应和位移响应,基于测得的加速度信号和AQSSE方法在线识别基础隔震结构的参数和位移,并追踪参数的变化,从而识别结构损伤.研究结果表明:在两种典型地震波激励下,通过不同时刻的刚度突变模拟结构损伤,AQSSE方法得到的结构参数值与有限元分析结果一致,且识别得到的位移曲线与实验测量的位移曲线吻合良好,验证了AQSSE方法在基础隔震结构参数识别与损伤追踪中的有效性和准确性.     

确定材料概率疲劳曲线的损伤力学方法

飞机结构对可靠度要求很高,因此要获取材料的概率疲劳曲线.概率疲劳曲线试验周期长,费用高.对此,首次通过损伤力学方法,根据获取材料中值疲劳曲线所需数据确定了材料的概率疲劳曲线.结果表明,当存活概率提高时,疲劳强度将明显降低,疲劳寿命将明显缩短.本结论是从金属材料的标准试件的疲劳试验推出的,因而该方法首先适用于金属材料,同时该方法也可推广用于许多新型的复合材料.另外,试验子样愈大,置信度愈高.该方法的价值在于可以采用中值疲劳试验代替概率疲劳试验,显著地节约疲劳机时与试验成本.     

Experimental study of impact-cratering damage on brittle cylindrical column model as a fundamental component of space architecture

The cylindrical column of brittle material processed from soil and rock is a fundamental component of architectures on the surface of solid bodies in the solar system. One of the most hazardous events for the structure is damaging by hypervelocity impacts by meteoroids and debris. In such a background, cylindrical columns made of plaster of Paris and glass-bead-sintered ceramic were impacted by spherical projectiles of nylon, glass, and steel at velocity of about 1–4.5 km/s. Measured crater radii, depth, and excavated mass expressed by a function of the cylinder radius are similar irrespective of the target material, if those parameters are normalized by appropriate parameters of the crater produced on the flat-surface target. The empirical scaling relations of the normalized crater radii and depth are provided. Using them, crater dimensions and excavated mass of crater on cylindrical surface of any radius can be predicted from the existing knowledge of those for flat surface. Recommendation for the minimum diameter of a cylinder so as to resist against a given impact is provided.