谱载荷作用下的裂纹扩展计算模型

最简单的谱载荷是在基本循环载荷中施加单一或多个拉伸和拉—压过载的情况。有过载作用,裂纹扩展速率显著降低。实验证明,过载迟滞效应最大点、即裂纹扩展速率最低点不是在刚施加过载之后,而是距过载点有一段距离,即所谓延缓滞后或推迟延缓(delayed retardstion)效应。现有的计算模型大多未考虑这一效应,因而与实际情况有很大差别。有的模型,例如松冈模型虽然考虑了这一效应,但表达这一效应的参数必须由实验确定,这样就使该模型应用很不方便。本文根据产生推迟延缓的机理和对试件的断口分析,提出了一个确定这一参数的计算公式,进而提出了对拉伸过载和拉—压过载作用下的裂纹扩展计算模型。用本模型计算了几种材料在不同加载条件下的迟滞效应,计算结果与实验结果相当符合。 由于本模型可以计算拉仲过载和拉—压过载等情况下的迟滞效应,因而作一些合理的假设可用以计算复杂谱载荷作用下的裂纹扩展速率和寿命,本文计算了飞机起落架施旋转臂和机翼加劲板在谱载荷作用下的裂纹扩展寿命,计算结果与实验或统计结果基本符合。     

双剪连接件及双耳连接耳片疲劳寿命估算的逐次累计求和算法

为了研究复杂连接件疲劳失效机理和估算其裂纹形成和扩展寿命,在双剪连接件和双耳连接耳片疲劳试验的基础上,首先,通过扫描电子显微镜（SEM）分析,研究了其破坏模式和机理,并利用断口定量反推技术判读了疲劳裂纹形成与扩展寿命。然后,根据应力严重系数法,建立了复杂连接件疲劳性能S-N-L（疲劳应力-寿命-应力严重系数）曲面;利用该曲面,发展了复杂连接件疲劳裂纹形成寿命估算算法;基于断裂力学理论,推导出裂纹扩展长度与扩展角度公式,建立了疲劳裂纹扩展寿命估算的累计求和算法。最后,运用寿命估算方法,估算了双剪连接件的疲劳裂纹形成寿命、双剪连接件和双耳连接耳片的裂纹扩展寿命,预测结果与断口判读结果吻合良好。本文寿命估算方法为复杂连接件疲劳定寿提供了理论依据。      

考虑过载迟滞效应的一个新模型

根据有效残余压应力的概念,并考虑基本循环中残余压应力的松弛,导出了计算过载后裂纹扩展速率的公式其中(da/dn)_0为未受过载影响的扩展速率,u=1 (1-α)λ-(1-α)(k_(ap)/Δk_b),及应力松弛系数 用本文方法对铝合金Ly12,2024,钛合金Ti—6Al—4V等试件在不同载荷情况下的过载迟滞期进行了计算。如令系数n=4,发现计算结果与实验结果符合得相当好。     

弹塑性材料阻力曲线数值计算的尝试

本文在分析弯曲型裂纹试样P—Δ曲线(P为载荷,Δ为施力点位移)的基础上,提供了一种裂纹稳定扩展量的估算方法,相应可得到近似的阻力曲线。为了避免主观因素的渗入,方法中尽量利用数值计算。作为一种单试样方法,它对推荐的标准阻力曲线方法是一个补充,在材料、工艺及故障分析中将是有益的。     

裂纹张开载荷的计算及其应用

本文利用超载后塑性区内残余拉件应变的概念,建议了一个计算裂纹张开载荷的数学模型,并导出了相应的计算公式。 应用此模型可以解释加交变循环载荷时疲劳裂纹扩展速率较高的现象。有不同类型的超载时,疲劳裂纹扩展的迟滞效应,也可以定量地加以估算。计算结果与实验结果符合得较好。     

疲劳裂纹扩展随机过程相关参数的估计

对数正态随机过程模型是可靠性与损伤容限分析中常用的裂纹扩展随机模型.在裂纹扩展对数正态随机过程模型的基础上,建立了由试验数据估计一般平稳正态随机过程相关参数的方法.应用这种方法可以直接由试验数据估计随机过程的相关参数.同时,给出了用Monte-Carlo方法估算置信区间的方法.最后,给出了用具体试验数据,这组试验数据共有237个数据点,估计随机过程相关参数的算例.     

耐久性分析相对小裂纹扩展速率公式的参数确定方法

结构细节相对小裂纹扩展速率公式是采用概率断裂力学方法进行结构耐久性分析的关键。针对目前需进行多个应力水平下的成组疲劳试验以确定相对小裂纹扩展速率公式适用范围和参数的问题,首先,通过将应力强度因子修正系数展开为多项式,基于材料稳定裂纹扩展段的裂纹扩展速率公式得到了耐久性分析的相对小裂纹扩展速率公式。然后,以受远场均匀拉伸载荷作用的中心圆孔板为对象,分别基于应力强度因子近似解和FRANC3D软件进行裂纹扩展分析,得到相对小裂纹尺寸范围及对应裂纹扩展参数的确定方法。最后,进行了3种试件在等幅交变应力下的耐久性试验,验证了该方法的正确性。      

裂纹慢扩展对陶瓷强度影响的分析方法

研究了慢速裂纹扩展对陶瓷材料强度退化的影响，并给出了一个一般的强度退化分析方法，该方法在一定条件下是与传统的分析方法等价的，并根据静疲劳实验数据，得到了裂纹扩展参数的确定方法，分析仅仅考虑了裂纹慢速扩展对强度的影响，不涉及其它的因素，最后从三个方面，即裂纹扩展机理，蠕变及统计性讨论了陶瓷结构时间相关可靠性及对寿命的影响。     

疲劳多裂纹扩展随机模型的参数估计方法

建立了用试验数据估计疲劳多裂纹扩展随机模型参数的方法,尤其为利用现有的单裂纹扩展试验数据,建立了用不完全数据估计多裂纹扩展参数的方法,为含多裂纹结构的概率损伤容限分析作准备.应用最小二乘原理,讨论了完全试验数据-并联远源裂纹和完全试验数据-近源裂纹2种情况下裂纹扩展参数的估计方法,考虑了裂纹扩展试验的2种极限情况,给出了估计结果偏于保守的不完全试验数据-近源裂纹情况下的裂纹扩展参数的估计方法.完善了疲劳多裂纹扩展随机模型,为模型的工程应用打下了基础.      

水对复合材料层合板分层扩展的影响

本文研究了水对复合材料层合板在单向拉伸和疲劳循环载荷作用下的分层扩展速率的影响。研究结果表明,在单向拉伸载荷作用下,水对分层扩展速率影响不大,而在疲劳循环载荷作用下,层合板发生分层后,水渗入层间及横向裂纹中,使层间裂纹和横向裂纹扩展速率大大加快,层合板的疲劳强度和疲劳寿命显著下降。因此当复合材料层合板结构在水介质中工作时,必须考虑到裂纹对水的敏感性。本文还探讨了超载对疲劳裂纹扩展速率的效应。实验结果证明,与金属材料的机理完全不同,超载对复合材料的裂纹扩展不但无延迟效应,反而存在加速现象。     

耐久性分析技术的发展与改进

阐述了美国空军耐久性设计手册（第二版）所做的发展，并指出其中存在的两个问题，即确定裂纹扩展率参数Ｑ时未考虑裂纹萌生时间的重要作用和没有说明使用期裂纹扩展率标准差σｚ的确定方法。通过研究，改进了裂纹扩展率参数Ｑ的确定方法，补充了确定裂纹扩展率标准差σｚ的途径，并通过了实验验证。     

航空铝合金弹塑性状态疲劳裂纹扩展速率试验

研究含长裂纹薄壁结构弹塑性状态下的裂纹扩展规律对于保证机体结构安全具有重要意义.设计了民机用铝合金大宽板裂纹扩展速率测试用试验件和夹具,进行了2024-T3和7075-T6两种铝合金大宽板弹塑性状态下裂纹扩展速率测试.讨论了应力强度因子变程(ΔK)和裂纹中心线处的张开位移变程(Δδ)作为弹塑性状态下裂纹扩展速率表征参量的适用性.研究结果表明:中、高级应力水平作用下,含长裂纹铝合金大宽板裂纹进入快速扩展阶段,裂纹扩展ΔK~da/dN曲线发生明显转折,不能用Paris公式拟合.在裂纹扩展后期,Δδ~da/dN曲线在双对数坐标下呈线性关系,可用Δδ~da/dN关系曲线来表征弹塑性状态下铝合金的裂纹扩展速率.     

疲劳多裂纹扩展随机模型

建立了含相互干扰多裂纹结构的裂纹扩展随机模型.提出了远源裂纹、近源裂纹、概率寿命曲面等概念.给出了相互干扰多裂纹扩展随机微分方程的统一表达形式.在工程基本假设的基础上简化了相互干扰多裂纹扩展过程的计算.在此基础上可进一步分析含相互干扰多裂纹结构的可靠性,可直接应用于工程实践.     

微小裂纹的发生与扩展

本文对微小表面裂纹的发生与扩展进行了研究。 1.微小裂纹的发生,60％以上发生于晶界。当应力值高时,裂纹扩展穿入晶内,应力值低时,裂纹沿晶界扩展。 2.现有以应力强度因子变程△K作为控制参数的宏观裂纹扩展速率公式,均不适用于微小裂纹(2c=0.02～0.8mm)。本文提出的下列微小裂纹扩展速率公式,与实验结果相当一致。 dc/dN=C_2·σ~n·c式中,C_2和n为材料常数。     

以裂纹长度为参量的疲劳裂纹扩展随机模型

建立了以裂纹长度为参数的疲劳裂纹扩展随机模型，给出了计算给定初始裂纹长度（定值或分布）和临界裂纹长度时的裂纹扩展时间分布的方法，以及计算给定初始裂纹长度（定值或分布）和寿命时的裂纹长度分布的方法，并给出了相应的计算实例。     

裂纹扩展寿命安全可靠性分析模型研究

通过分析影响裂纹扩展寿命的多个随机因素,就目前较为常用的裂纹扩展寿命安全可靠性分析模型进行比较.在此基础上,本文提出了一种新的模型--裂纹扩展寿命~断裂韧度可靠性分析模型,该模型基于目前比较公认的裂纹扩展寿命分布和断裂韧度分布特性,为工程界进行含裂纹结构的概率损伤容限评估提供一定的理论依据.     

2195-T8铝锂合金疲劳多裂纹融合试验与仿真研究

铝锂合金作为航空航天广泛应用的合金材料,其疲劳断裂行为的研究对结构安全性评价具有重要意义。以第三代铝锂合金2195-T8为研究对象,通过恒幅拉-拉疲劳试验和有限元方法对2195-T8铝锂合金疲劳裂纹扩展行为进行试验与仿真研究。基于断面显微测量与观察,在仿真模型中引入多个初始裂纹,模拟多裂纹的融合扩展过程,获得多裂纹独自扩展、交融时扩展和融合后扩展的规律。结果表明：裂纹融合前,在疲劳循环载荷作用下,裂纹尖端应力强度因子总体上不断增大,塑性区域体积增加区域平缓;当裂纹相互融合时,裂纹面处应力强度因子瞬时增大,远高于其余裂尖数值大小;随着裂纹进一步融合,尖端应力强度因子数值趋于平稳;裂纹完全融合后,到达裂纹快速扩展阶段,塑性区域体积与扩展步数呈正比增加,扩展速率呈现先快后慢的规律,裂纹面交汇融合成新的椭圆形状裂纹面。     

含多裂纹结构的可靠性分析方法

为了对含多裂纹结构的可靠性进行评估,在疲劳多裂纹扩展随机模型的基础上,建立了含多裂纹结构的可靠性分析模型.结构的可靠度是控制裂纹扩展的多维随机变量落在等寿命曲面(线)与坐标面(轴)围起的范围内的概率,即多维随机变量的概率密度函数在等寿命曲面(线)与坐标面(轴)围起的范围内的积分.针对较为简单的情况,建立了完全积分可靠性模型;针对复杂结构但各条裂纹扩展特性相差不大的情况,建立了简化串联可靠性模型;针对复杂结构各条裂纹扩展特性相差较大的情况,建立了修正简化串联可靠性模型.考虑结构可靠性的粗略分析,给出了可靠度的上限值.结合多裂纹扩展随机模型给出了算例.      

钛合金恒幅载荷下腐蚀疲劳裂纹扩展影响因素和机理的综述

本文评述了钛合金恒幅载荷下腐蚀疲劳裂纹扩展的影响因素:循环加载频率,循环载荷波形,合金成分,组织结构和热处理,以及介质种类,pH值,温度等。介绍了钛合金腐蚀疲劳裂纹扩展机理和几种模型。最后作者对研究钛合金腐蚀疲劳裂纹扩展速率提出了一些看法。     

应变能密度—应力矢量准则

本文提出的应变能密度——应力矢量线弹性复合断裂准则,综合考虑了控制裂纹扩展行为的应变能密度和应力矢量两方面的因素,它既适用于二维裂纹问题,也适用于三维裂纹问题。为了说明该准则的应用,文中具体研究了埋藏椭圆盘状裂纹和直前缘穿透裂纹的扩展行为。