涡轮盘榫槽的损伤力学研究

本文运用损伤力学方法对涡轮盘试件榫槽在蠕变和疲劳交互作用下的裂纹起始寿命与裂纹扩展寿命进行了分析研究。榫槽的非线性损伤累积模型是由修正的Ｃｈａｂｏｃｈｅ′ｓ低循环疲劳损伤模型和改进的Ｋａｃｈａｎｏｖ′ｓ蠕变损伤模型综合形成的。在此基础上建立了疲劳和蠕变交互作用下裂纹扩展计算模型。从理论分析计算与试验结果的一致性,说明所建模型的正确性。采用损伤有限元素法,以有限元网格尺寸模拟损伤裂纹长度。从试件榫槽的裂纹扩展计算分析中,提出裂纹起始方向和裂纹扩展方向判断准则,并通过计算检验了此准则的正确性。文中所建立的基本理论,计算方法及结果分析在工程实际中具有一定使用价值。     

Evaluation of mixed mode-I/II criteria for fatigue crack propagation using experiments and modeling

In this study, in-plane mixed mode-I/II fatigue crack growth simulations and experiments are performed for the Al 7075-T651 aluminum alloy which is widely used in the aerospace industry. Tests are carried out under different mode mixity ratios to evaluate the applicability of a fracture criterion developed in a previous study to mixed mode-I/II fatigue crack growth tests. Results obtained from the analyses and experiments are compared with existing and developed criteria in terms of crack growth lives. Compact Tension Shear (CTS) specimens, which enable mixed mode loading with loading devices under different loading angles, are used in the simulations and experiments. In an effort to model and simulate the actual conditions in the experiments, crack surfaces of fractured specimens are scanned, crack paths are modeled exactly, and contacts are defined between the contact surfaces of a specimen and the loading device for each crack propagation step in the analyses. Having computed the mixed mode stress intensity factors from the numerical analyses, propagation life cycles are predicted by existing and the developed mixed mode-I/II criteria and then compared with experimental results.     

飞机薄壁结构面外载荷下三维疲劳裂纹扩展仿真分析

飞机结构中部分薄壁结构在服役中不可避免地承受面外弯曲载荷,这对飞机的安全性有显著影响。采用FRANC3D 和ABAQUS 联合仿真的方法,对薄板受弯曲载荷作用下的疲劳裂纹扩展行为开展研究,分析边界约束强度和初始裂纹形状对此类疲劳裂纹扩展模拟的影响,并评估仿真方法的适用性。结果表明：模拟中施加较弱的边界约束,会使计算的应力强度因子增大;相比于初始非孔边的表面裂纹,初始孔边角裂纹在裂纹扩展初期扩展速率更高;现有的FRANC3D 和ABAQUS 联合仿真的方法在模拟面外弯曲载荷下薄板孔边裂纹扩展时,存在受压面裂纹无法扩展的问题。     

基于晶体塑性的涡轮盘短裂纹扩展模拟方法

针对低周疲劳载荷下发动机涡轮盘早期短裂纹扩展行为,提出适用于工程结构的耦合晶体塑性（CP）理论和扩展有限元方法（XFEM）的多晶短裂纹模拟方法。该方法采用晶体内总累积分解切应变作为裂纹扩展判据并使裂纹沿最活跃滑移系对应的滑移平面传播。框架采用子模型技术/分区域网格细化以及宏-介观本构结合的方法解决真实工程结构和微观模型尺度不匹配的问题,在可接受的计算代价下预测了涡轮盘危险截面处的短裂纹扩展路径及速率。结果表明该结构内早期裂纹生长路径及速率受到晶体取向的影响而出现较大分散性,同时验证了基于CP-XFEM的框架在预测工程结构短裂纹扩展寿命及分散性上的可行性。      

机身加筋壁板环向裂纹损伤容限试验与分析

机身壁板是飞机结构中的主要承力构件,也是损伤的主要产生部位,研究机身加筋壁板的裂纹扩展规律和剩余强度特性具有重要意义。在轴向拉伸载荷作用下,对含环向裂纹的机身加筋壁板进行损伤容限试验;利用ANSYS有限元软件对试验件进行应力强度因子分析,估算裂纹扩展寿命;基于线弹性断裂力学准则和线弹性断裂力学加塑性修正准则,计算剩余强度特征曲线,并对比分析计算结果和试验结果。结果表明:计算得到的裂纹扩展寿命与试验结果的相对误差为6.3%,满足工程要求;线弹性断裂力学加塑性修正准则估算的剩余强度更为合理,误差仅为2.6%,且偏安全。     

力学不均匀性对焊接接头疲劳裂纹扩展影响的研究

本文将焊接接头简化为夹层材料裂纹体模型，通过实验及弹塑性有限元方法研究了均匀材料和具有力学不均匀性的夹层材料裂纹体中心裂纹试件中疲劳裂纹的扩展规律。发现疲劳裂纹的扩展不但取决于裂纹尖端处材料的性质，而且还受裂纹尖端附近材料力学不均匀性的严重影响；不均匀体裂纹尖端的塑性区、应力应变场与均匀材料裂纹体显著不同；力学不均匀性对疲劳扩展寿命影响的本质在于力学不均匀性对疲劳裂纹闭合的影响     

Out of phase thermal mechanical fatigue investigation of a directionally solidified superalloy DZ125

Out of phase(OP) thermal mechanical fatigue(TMF) behavior of a directionally solidified(DS) superalloy DZ125 was experimentally and numerically studied. Two different temperature conditions, which are 500–1000 °C and 400–900 °C, were considered in the present research.Stress and strain responses as well as fatigue life results were presented and discussed. Scanning electron microscope(SEM) and metallographic analysis were used to study the damage mechanism. An oxidation assisted crack initiation and propagation phenomenon were found to explain the shorted life under TMF cycles. In order to characterize the stress and strain deformations under TMF loadings, a modified Chaboche's constitutive model was applied. Additionally, the TMF life of the material was modeled and predicted by Neu–Sehitoglu damage law with high accuracy.     

基于小裂纹断裂力学的冷端盘燕尾槽疲劳全寿命预测技术研究

本文通过对航空发动机冷端盘燕尾槽子构件及其材料钛合金ＴＣ１１ 的小裂纹扩展行为和疲劳的试验研究,燕尾槽子构件小裂纹的应力强度因子权函数解的分析研究,并利用塑性诱导的Ｎｅｗ ｍ ａｎ 裂纹闭合模型,建立起从裂纹开始萌生的燕尾槽槽底疲劳全寿命预测模型。结果表明,该模型预测子构件的疲劳寿命的误差在工程所允许的二倍寿命以内     

粉末冶金盘损伤容限的边界元分析

采用边界元法建立了裂纹扩展分析模型,对FGH95粉末高温合金标准紧凑拉伸(CT)试样的裂纹扩展试验结果进行了数值模拟,计算结果与试验吻合很好,表明分析方法的准确性及可行性.在对粉末高温合金缺陷数据分析的基础上,建立了粉末盘损伤容限边界元分析模型,对其裂纹扩展寿命进行了评估.研究表明:边界元法在损伤容限分析中的实现便捷可行,可应用于复杂构件裂纹扩展特性的工程分析,与传统预测方法相比,能够给出更为合理的寿命结果.      

直升机典型结构裂纹扩展路径模拟及分析研究

目前对于直升机上结构裂纹扩展路径预测大部分是依靠经验判断,缺乏理论数值模拟及有效的分析方法。本文基于adaqus有限元软件并结合实践经验设置初始裂纹,选取典型直升机结构进行了裂纹扩展仿真模拟,对结构加载方式、腐蚀区域以及加强槽因素等对裂纹扩展的影响进行了相关探讨研究。文章所述方法和结论对于直升机结构的裂纹扩展路径预测及损伤容限设计提供了新的思路,对工程设计有一定的改进参考意义。     

基于粒子滤波的结构疲劳裂纹扩展动态贝叶斯推断方法

准确预测结构的疲劳裂纹扩展过程是开展飞机单机寿命监控与剩余寿命估算的基础。提出一种基于动态贝叶斯网络的结构疲劳裂纹扩展预测方法,结合疲劳裂纹扩展的先验知识与后验知识来准确地推断裂纹长度;研究粒子滤波算法中不同粒子数对动态贝叶斯网络推断精度的影响规律;通过对单孔板结构与耳片连接结构件在随机载荷谱下进行裂纹扩展研究。结果表明：动态贝叶斯网络方法可以对复杂结构的疲劳裂纹扩展进行准确预测,预测精度相对于传统方法提高50% 以上。     

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。      

含多裂纹对接板应力强度因子三维有限元分析

应力强度因子（SIF）分析是含多部位损伤（MSD）结构的裂纹扩展分析及寿命预测的基础,对于连接结构采用简化模型难以考虑次弯曲、铆钉变形等因素影响。本文建立了含MSD对接板的三维有限元模型,研究了不同损伤模式、设计构型和约束条件下的裂纹尖端SIF分布特性以及随裂纹长度的变化规律。结果表明,孔边裂纹Ⅰ型SIF起主导作用,Ⅱ型和Ⅲ型SIF可忽略不计;由于次弯曲效应,SIF从外表面到内表面近似呈线性关系逐渐增加;MSD裂纹之间存在较强的干涉作用,且裂纹间距离越短数量越多,干涉作用越强;SIF随拼接板厚度增加呈先增加后降低的趋势,原因是拼接板刚度和铆钉柔度对铆钉载荷传递有一定影响;采用埋头铆钉会使SIF值增加,且内外表面差异变得更大;反翘曲约束对裂纹尖端SIF均值影响很小,但能显著降低SIF沿厚度方向的变化。     

PROBABILITY DAMAGE TOLERANCEEVALUATION METHOD FORMULTI-CRACKED STRUCTURE

ＰＲＯＢＡＢＩＬＩＴＹＤＡＭＡＧＥＴＯＬＥＲＡＮＣＥＥＶＡＬＵＡＴＩＯＮＭＥＴＨＯＤＦＯＲＭＵＬＴＩ－ＣＲＡＣＫＥＤＳＴＲＵＣＴＵＲＥＴｏｎｇＭｉｎｇｈｏ；ＦｅｉＢｉｎｊｕｎ；ＬｉｕＷｅｎｔｉｎｇ（ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕ...     

超声疲劳裂纹扩展性能的计算与分析

简述了超声疲劳试验机的工作原理以及应用超声疲劳试验技术研究工程结构材料疲劳裂纹扩展性能的实验方法。通过三维有限元计算及动态模态分析,研究了包括整体裂纹扩展试件及聚能器在内的振动体的应力、应变场和位移场,导出了确定裂纹尖端应力强度因子的位移法和能量法,并对这两种计算分析方法的特点以及所得到的结果进行了分析对比。计算与分析结果表明,应用能量法研究超声疲劳载荷下的裂纹尖端应力强度因子及疲劳裂纹扩展性能,具有简明和计算精度高等突出优点。      

比例与非比例加载下30CrMnSiA钢多轴高周疲劳失效分析

为了分析比例与非比例加载下,30CrMnSiA钢的多轴高周疲劳的失效规律。通过对30CrMnSiA钢材料开展比例与非比例(δ=90°)加载下的多轴高周疲劳试验,研究了应力幅比和相位差对疲劳寿命、断口特征及裂纹起裂角度的影响。试验结果表明,对于比例与非比例加载,随着应力幅比的增大,多轴疲劳寿命逐渐增加。对疲劳断口分析发现,裂纹萌生于试件表面,断口有明显的疲劳源区、扩展区和瞬断区,不同加载路径下的试件断口形式有明显差异。通过对起裂角度的分析发现,应力幅比大于0.25时表面裂纹有明显的第Ⅰ阶段向第Ⅱ阶段的转变,且第Ⅰ阶段沿着接近最大剪应力幅值平面方向扩展,第Ⅱ阶段沿着接近最大正应力平面方向扩展。此外,对典型试件的疲劳断口及表面扩展路径进行了分析,研究表明多轴疲劳试验试件裂纹的特征比值在0.3~0.5之间,且裂纹沿深度方向扩展至300 μm时占总寿命的85%以上。      

三维非平面裂纹扩展参数化模拟方法

发展一种基于有限元方法（FEM）的自动模拟三维非平面裂纹扩展的模拟方法。该方法采用参数化建模的方式建立裂纹体,以镶嵌裂纹体的方式在结构中插入裂纹,然后通过有限元计算得到裂纹扩展参量,自动更新裂纹体从而模拟裂纹的扩展过程。通过模拟三个裂纹扩展算例,计算了裂纹扩展循环数,对比试验结果,误差分别为195%、161%、21%。结果表明:该方法能够模拟三维非平面裂纹的扩展并计算扩展寿命,具有一定的精度和适用性。      

超载对疲劳寿命影响的试验研究

 超载对疲劳寿命的影响是航空研究中的一个重要问题。本文通过试验初步探讨了机械超载对疲劳寿命的影响,包括超载对疲劳裂纹形成寿命、疲劳裂纹扩展寿命、疲劳累积损伤以及裂纹扩展迟滞效应的影响。并用X射线应力分析仪测量了超载引起的残余应力。用残余应力的观点解释了超载对疲劳寿命的影响。     

弯曲载荷下薄壁结构疲劳裂纹扩展性能

对某飞机座舱盖侧型材与锁环连接部位的疲劳裂纹扩展性能进行了研究。该结构区别于常见薄壁结构的特征是承受较大的弯曲载荷,使得利用薄板I型裂纹扩展的常用方法进行寿命分析会产生较大的误差。为了研究弯曲载荷下薄壁结构的疲劳裂纹扩展性能,开展了带孔板和侧型材结构模拟件的疲劳裂纹扩展试验。通过有限元仿真分析,研究了弯曲载荷对裂尖应力强度因子的影响,提出了一种当量应力强度因子变程公式;对本文所涉及的2种类型受弯曲载荷作用的试件,裂纹扩展寿命预测结果与试验吻合较好。研究表明,在相同的名义应力和裂纹长度下,薄板受弯时裂纹应力强度因子、裂纹扩展速率远低于受拉的情况;结构受到弯曲载荷时,锁环对连接部位的应力有显著的抑制作用,可以减缓疲劳裂纹的扩展;此外,合理的结构设计能够增加关键部位受弯时的疲劳裂纹扩展寿命。     

A model-based prognostics method for fatigue crack growth in fuselage panels

This paper proposes a model-based prognostics method that couples the Extended Kalman Filter (EKF) and a new developed linearization method. The proposed prognostics method is developed in the context of fatigue crack propagation in fuselage panels where the model parameters are unknown and the crack propagation is affected by different types of uncertainties. The coupled method is composed of two steps. The first step employs EKF to estimate the unknown model parameters and the current damage state. In the second step, the proposed efficient linearization method is applied to compute analytically the statistical distribution of the damage evolution path in some future time. A numerical case study is implemented to evaluate the performance of the proposed method. The results show that the coupled EKF-linearization method provides satisfactory results: the EKF algorithm well identifies the model parameters, and the linearization method gives comparable prediction results to Monte Carlo (MC) method while leading to very significant computational cost saving. The proposed prognostics method for fatigue crack growth can be used for developing predictive maintenance strategy for an aircraft fleet, in which case, the computational cost saving is significantly meaningful.