FGH96粉末涡轮盘结构模拟件疲劳小裂纹扩展试验

为了分析涡轮盘轮缘榫槽等几何不连续部位对疲劳裂纹萌生及小裂纹扩展行为的影响,基于FGH96粉末盘实际构型设计结构特征模拟件,并对其在高温条件下开展自然萌生疲劳小裂纹扩展试验,通过疲劳中断试验和表面复型技术对榫槽和螺栓孔结构模拟件在500℃下的裂纹萌生和小裂纹扩展行为进行了观测和分析。结果表明：2种结构模拟件缺口表面存在多裂纹萌生现象,随着应力水平的降低,裂纹萌生位置由表面晶界转变为近表面特定方向的晶面以及非金属夹杂物处;2种结构模拟件裂纹萌生寿命占比约为36%～73%,且随着应力水平的降低而提高,裂纹扩展至工程可检裂纹尺寸时的寿命占比约为82%～96%,应力水平对其影响相对较小;特征模拟件缺口附近高水平的塑性变形能够导致小裂纹扩展速率分段特征现象消失,并延缓裂纹扩展过程中的合并行为,延长裂纹扩展寿命。     

疲劳裂纹萌生的声发射信号特征研究

进行了疲劳裂纹萌生的声发射监测技术试验研究。试验件选用航空上常用的铝合金材料,对不同形式的结构细节进行疲劳试验,获取不同形式试验件裂纹萌生的声发射信号,用参数分析对这些信号进行了分析。预报裂纹萌生的时间,从而为结构部件以及全尺寸结构疲劳试验的损伤监测提供参考。     

镍基高温合金GH536的热疲劳行为

燃烧室火焰筒作为航空发动机的热端关键结构件，在工作过程中受到复杂的循环温度载荷，使其承受热疲劳损伤.对火焰筒常用镍基高温合金GH536的热疲劳行为进行试验研究.根据火焰筒结构和载荷特征，设计了中心孔平板试样以及热疲劳试验，研究了热疲劳载荷条件下GH536平板的裂纹萌生及扩展规律，揭示了GH536的热疲劳破坏机理.研究发现:①热疲劳裂纹以穿晶模式萌生，以沿晶方式扩展并断裂；②随着热疲劳试验中上限温度的升高，裂纹的萌生寿命缩短，裂纹扩展速率加快，试样在800℃时的热疲劳裂纹萌生寿命是900℃裂纹萌生寿命的4.5倍.      

声发射在整体壁板疲劳试验中的应用

进行了飞机结构整体壁板疲劳试验的声发射监控研究。整体壁板试验件选用航空上常用的铝合金材料。试验采用常幅载荷谱,用声发射技术监测疲劳裂纹的萌生。通过对采集的计数、能量、事件以及幅值等声发射信号进行参数分析,预报了疲劳裂纹萌生的时间。结果表明,材料裂纹萌生和扩展时有很明显的声发射现象,声发射技术能够准确预报金属飞机结构疲劳裂纹的萌生和扩展,从而为飞机结构的疲劳和损伤容限设计提供参考。     

深氮化硬化32Cr3MoVE钢组织性能研究

针对深氮化硬化32Cr3MoVE钢进行了硬化层组织性能的表征分析。与18CrNi4A钢渗碳件、32Cr3MoVE钢常规氮化件进行了接触疲劳性能对比试验研究,并对深氮化件进行了接触疲劳失效行为分析,认为两种裂纹萌生模式同时存在,但其疲劳破坏取决于表层内裂纹的萌生和扩展。同时探索了深氮化硬化钢长寿命机理:渗氮层深达0.6～0.8mm,渗层组织优异,表面硬度高,具有优异的硬度梯度和残余应力分布。     

断口定量分析在直升机关键动部件疲劳试验分析中的应用

运用断口疲劳条带反推寿命的理论基础,采用断口定量分析方法,在断口上测量裂纹长度和裂纹扩展速率,建立二者之间的关系图.利用梯形法计算出裂纹的扩展寿命和萌生寿命,推断出A断口先于B断口萌生,证明了断口分析结论的正确性.此结论表明,断口定量分析方法可应用于疲劳试验首断件的判定.     

民用飞机机身蒙皮修理的广布疲劳损伤试验研究与有限元分析

为了研究民用飞机机身蒙皮修理的广布疲劳损伤特性,设计试验件进行试验研究,并对其进行有限元分析。结果表明:机身蒙皮修理连接区的初始裂纹的萌生位置基本上是等概率随机产生的;在多裂纹的共同作用下,导致结构剩余强度降低,引起裂纹萌生的加速和竞争效应,最终导致连接区破坏;损伤容限分析得到的主裂纹扩展曲线与试验结果趋势吻合,但计算结果较小、趋于保守。     

变幅载荷对高温合金裂纹萌生及扩展寿命的影响

为了更好地分析航空发动机用高温合金裂纹萌生阶段的变幅载荷对高温材料的低周疲劳裂纹萌生及扩展寿命的影响,将低周疲劳的裂纹萌生过程视作损伤累积过程,基于连续损伤力学建立了低周疲劳损伤累积模型.结合室温下GQGH4169合金的裂纹扩展试验数据,通过有限元建模计算和数值分析方法确定了模型中具体的损伤参数数值,并对裂纹萌生寿命进行了预测.结果表明:该方法不但能准确地预测变幅加载下CT试样的裂纹萌生寿命,而且能很好地反映萌生阶段变幅载荷对裂纹扩展寿命的影响,而且降低了试验成本.     

一种多部位损伤全寿命分析的工程方法

提出了一种多部位损伤全寿命分析的工程方法,该方法包含3部分内容。对多裂纹萌生问题,通过研究多细节结构中裂纹萌生机理,将裂纹萌生寿命的取值事件转化为3个独立事件的积事件,前者的发生概率等于3个独立事件发生概率的乘积,3个独立事件的发生概率可由单细节结构裂纹萌生寿命的概率分布求得。从而可由单细节结构裂纹萌生寿命概率分布得到多细节结构中依次出现的各条裂纹的萌生寿命的概率分布。对多裂纹扩展问题,先通过有限元方法计算出多裂纹指定长度组合下的应力强度因子,然后引入响应面法,定量地建立了裂纹长度与应力强度因子之间的函数关系,由响应面模型得到多裂纹任意长度组合下的应力强度因子,最后采用循环接循环法进行裂纹扩展分析。对多裂纹结构失效分析,采用亚临界条件判断结构是否失效,认为结构上萌生的首条裂纹与第2条裂纹的位置相邻,裂纹发生首次连通时,结构失效。进行了单细节带孔板与多细节带孔板的裂纹萌生扩展试验,并对多细节带孔板的裂纹萌生扩展寿命和首次裂纹连通寿命进行了预测。预测结果和试验结果吻合良好,表明该方法是有效的。     

裂纹萌生寿命预腐蚀影响规律

对不同预腐蚀时间的裂纹萌生寿命进行统计分析,并选取了4种函数形式对（CT）数据进行拟合对比分析。结果表明,指定裂纹尺寸的裂纹萌生寿命随腐蚀时间的增加而降低,在工程常用的时间范嗣内,若假定裂纹萌生寿命服从对数正态分布,指定裂纹尺寸的对数裂纹萌生寿命标准差与预腐蚀时间基本无关,单参数指数函数形式拟合的不同裂纹尺寸的C-T曲...     

基于Tanaka-Mura模型的电子束焊接头疲劳裂纹萌生模拟

为揭示高温合金电子束焊接头的疲劳特性,对其开展了疲劳裂纹萌生数值模拟研究。考虑焊缝区微观组织特性,对Voronoi图法进行改进,建立了焊缝区包含柱状晶、细等轴晶及粗等轴晶的混合晶区微观组织模型;对ABAQUS进行二次开发,考虑晶粒随机取向,生成晶粒多滑移带模型。基于Tanaka-Mura位错滑移模型,编写了疲劳裂纹萌生算法,考虑晶界处裂纹的连接与合并,对算法进行了改进,并结合有限元计算建立了电子束焊接头疲劳裂纹萌生数值模拟方法。基于上述方法对GH4169电子束焊接头不同载荷大小的疲劳裂纹萌生进行数值模拟,分析了裂纹萌生过程及萌生寿命,并与试验结果进行对比验证;还探讨了不同热影响区晶粒尺寸对焊接接头疲劳裂纹萌生的影响规律。结果表明,电子束焊接头疲劳裂纹均萌生于热影响区,但随着载荷水平的提高,萌生位置向熔合区一侧靠近;当热影响区晶粒尺寸与母材区晶粒尺寸越接近时,接头疲劳寿命越长。     

基于材料微观特性的涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数值仿真

 为了研究材料微观特性对结构疲劳寿命的影响,根据Tanaka-Mura疲劳裂纹萌生寿命计算理论,模拟某镍基粉末合金涡轮盘喉道表面疲劳裂纹萌生寿命。利用泰森多边形生成法,模拟微观多晶结构,建立宏-细观模型相结合的三维仿真模型。实现3项关键技术:1)在三维模型中模拟了面心立方晶体中{111}面族的12条主滑移系;2)应用缺口根部裂纹萌生的Tanaka-Mura理论模型模拟一条微裂纹在另一条裂纹尖端萌生;3)模拟了微裂纹的起裂、扩展与联合过程,最终形成一条宏观裂纹。对某表面带刀痕涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数值仿真结果与真盘试验结果相差20%。研究表明,减小晶粒尺寸、降低表面粗糙度、形成表面压缩残余应变以及析出沉淀颗粒都有利于提高涡轮盘的疲劳裂纹萌生寿命。     

基于损伤力学的GH4169合金低循环裂纹萌生寿命预测

为了更准确地预估高温材料的低循环疲劳裂纹萌生寿命,将低循环疲劳的裂纹萌生过程视作损伤累积过程,基于连续损伤力学建立了损伤累积模型.结合360 ℃、650 ℃下GH4169合金的低循环疲劳寿命数据拟合出模型的具体表达式,进而开展了对低循环疲劳裂纹萌生寿命的预测试验.结果表明:该方法针对GH4169合金低循环疲劳裂纹萌生寿命的预测结果较为理想,其分散带基本在2倍以内,且能很好的反映变幅加载对GH4169合金低循环疲劳裂纹萌生寿命的影响.     

残余应力对铝合金在混和应力场中疲劳裂纹的延迟作用

利用含内缺口的圆环试件,用实验和计算的方法,研究了两种铝合金在混和应力场下的孔边裂纹萌生特性,并利用扩孔形成的残余应力和变形,探讨对延迟裂纹继续发展产生的作用。扩孔残余应力场的存在使萌生裂纹的循环周次得到提高,对于 型应力场,延迟裂纹萌生的效果非常明显,而对于 型和 型混合应力场,延迟裂纹萌生的效果较弱。     

TC18钛合金疲劳断裂过程声发射信号特征分析

声发射技术通过实时监测结构服役过程中发出的声发射信号,判断结构是否出现损伤,是一种重要的在线监测损伤的技术。为了明确TC18钛合金在疲劳试验中产生微裂纹、裂纹扩展及断裂等过程中声发射信号的特性,设计TC18钛合金试验件,进行其疲劳试验并全程采集声发射信号;采用参数分析方法,得到声发射信号在时域、频域方面的参数特征。结果表明:在裂纹萌生及扩展阶段,声发射信号幅值为40~65dB,低于相同条件下铝合金的信号幅值;在200~280kHz频段上,裂纹萌生阶段与后续过程的能量分布存在较大差异。结合上述研究结果,给出TC18钛合金试验件声发射监测的参考原则。     

含孔薄板孔边疲劳裂纹的萌生和扩展

 测试了 Ni基高温合金 GH41 69含孔薄板试件不同应力幅下的低周疲劳寿命,给出了孔边最大应力幅相同时,应力集中因子改变对试件疲劳寿命的影响。结合断口 SEM分析,探讨了应力集中条件下,疲劳短裂纹的萌生和扩展方式。试验结果表明,疲劳裂纹以滑移方式在孔壁与试样表面相交的棱上萌生;萌生期依赖于孔边应力幅的大小,与孔径无关。但疲劳裂纹扩展速率与孔边局部区域的应力分布有关。在孔边应力幅相同的情况下,孔边应力集中因子较大的试样裂纹扩展速率大,疲劳寿命分布带略低于孔边应力集中因子较小的试样。短裂纹阶段,疲劳裂纹以角裂纹的形式向内扩展;长裂纹阶段,疲劳裂纹以穿透裂纹的形式进行扩展。稳定扩展阶段疲劳裂纹以穿晶的韧性撕裂方式发展,但在靠近失稳扩展区域疲劳裂纹呈准解理断裂方式扩展。试验未观察到疲劳短裂纹群的连接与合并现象。     

喷丸残余应力及夹杂影响小裂纹仿真概率模型

提出考虑喷丸残余应力及内部夹杂影响的随机内部小裂纹形核扩展概率模型，实现构件内部疲劳裂纹萌生过程的仿真。针对高温合金X，在开展试验的数据基础上，识别模型所需的残余应力分布参数、“形核相关”夹杂尺寸分布参数、微观结构相关塑性本构参数及小裂纹形核扩展参数。模型成功预测喷丸等直棒两种主要的形核方式：残余拉应力平衡层夹杂形核及无残余应力区夹杂形核。与试验对比，模型预测内部裂纹萌生寿命及其分散精度高，残余拉应力平衡层预测萌生寿命中值误差为2%，-3σ寿命误差为37%，无残余应力区预测萌生寿命中值误差为3%，-3σ寿命误差为3%；此外，模型仿真的内部裂纹形貌为“鱼眼形”，贴合试验件断口形貌。     

TC11钛合金微动疲劳裂纹萌生预测分析

针对航空发动机叶片与盘榫连接结构简化模型的微动失效形式,建立了基于临界平面法预测微动疲劳裂纹萌生的控制模型。该模型引入综合考虑多种微动疲劳影响因素的微动损伤参量CSE(微动综合损伤参量),建立了微动疲劳特性的分析流程,对微动疲劳裂纹的萌生方向、位置和寿命进行了估算。应用CSE控制模型,对失效的TC11钛合金微动疲劳试件的裂纹萌生进行预测,通过比较不同损伤参量的预测结果,验证了CSE预测裂纹萌生的有效性。     

TC17钛合金高温超高周疲劳实验

自主研发了高温超声疲劳(20kHz)实验系统,并完成了TC17钛合金在室温、200℃和350℃条件下的疲劳性能实验研究.结果表明:TC17钛合金的动态弹性模量随温度升高呈线性减小.S-N曲线在室温下呈直线下降趋势,但在200℃和350℃条件下,S-N曲线在疲劳寿命为107周次处出现明显的拐点.断口分析表明疲劳裂纹萌生于试件表面或次表面,没有发现裂纹萌生于内部的情形,TC17钛合金的裂纹萌生可不依赖于试件内部的夹杂物或缺陷.高温不仅促进了裂纹的萌生还促进了裂纹的扩展.     

缺口半径对疲劳寿命影响的有限元分析

针对Mod.9Cr-1Mo铁素体钢缺口件进行了非比例应变路径低周疲劳试验,采用直流电位差法测量裂纹萌生寿命,比较了缺口半径和应变路径对疲劳裂纹萌生寿命的影响.试验结果表明:缺口件裂纹萌生寿命占疲劳寿命的比例与应变路径和缺口半径相关.采用ANSYS软件进行模拟计算,材料弹塑性特性采用von Mises屈服准则、多线性运动硬化律和单轴循环应力应变曲线描述.模拟结果表明:各应变路径下缺口根部处产生了明显的应力集中,等效应力最大值均发生在缺口根部处,随着离缺口根部距离的增加,应力随之而降低.但不同缺口半径下,离缺口根部不同距离处的应力梯度变化趋势随应变路径不同而不同.基于模拟结果,采用Smith-Watson-Topper(SWT)模型进行疲劳寿命预测.结果表明SWT模型针对大缺口半径的预测结果较好,大部分点位于2倍分散带内,但针对小缺口半径预测结果普遍偏低.