蠕变／疲劳交互作用下寿命预测的损伤力学有限元法及其在ANSYS上的实现

采用基于损伤力学的蠕变／疲劳交互作用下的寿命预测模型，在ANSYS上实现了损伤力学的寿命预测方法与有限元计算的结合，把损伤的计算从一维拉伸推广到三维复杂受载情况，在损伤计算中考虑了压缩时的闭合效应，实现了损伤场与应力应变场的交互影响，利用粉末合金材料试验结果对该方法进行了验证并取得了较好的效果，作为一个通用的方法，也可用于其他材料的复杂构件，复杂载荷条件一的损伤计算和寿命预测。     

无扩口管路连接件疲劳寿命预估的损伤力学-有限元法

 以损伤热力学为基础,构建分式形式的损伤演化方程。针对管路连接件等轴对称形式的构件,引入等效应力和等效应变。根据损伤力学守恒积分原理,得到恒幅重复载荷下应力与寿命关系的级数表达式,根据标准件疲劳试验结果拟合得到损伤演化方程中的材质参数。利用APDL语言编程对ANSYS软件进行了开发,使得借助ANSYS软件的损伤力学-有限元数值解法成为可能。利用该方法预估了TC6钛合金标准件疲劳裂纹萌生寿命,其结果与试验数据吻合。进一步,预估了管路连接件裂纹萌生寿命,预测了裂纹扩展路径并预估了疲劳裂纹扩展寿命。本文为采用损伤力学方法来预估构件的疲劳寿命提供了一种可行的方法。     

考虑冲击缺陷的钛合金板的疲劳寿命预估

基于连续损伤力学理论,研究了含冲击凹坑缺陷的Ti-1023钛合金板的疲劳损伤问题。通过分析冲击损伤与疲劳损伤的共同作用以及应力场与损伤场的耦合作用,对含冲击凹坑的钛合金板的疲劳寿命进行了预估。首先,基于连续介质运动学理论,采用非线性动力学有限元分析软件进行冲击损伤的模拟,得到冲击凹坑处的残余应力场与塑性应变场。其次,根据塑性损伤方程,计算冲击凹坑局部的初始损伤场,并将其作为后续疲劳计算的初始条件。然后,采用Chaudonneret的多轴疲劳损伤力学模型建立损伤力学-有限元数值解法,以进行损伤演化过程的数值计算。最后,综合考虑残余应力场、塑性初始损伤和疲劳损伤的共同作用,对含冲击凹坑的钛合金板进行了疲劳寿命预估,并进行了相应的疲劳验证试验。结果表明,预估结果与试验结果相一致。所做研究为工程中采用损伤力学方法来预估含冲击损伤的结构的疲劳寿命提供了一种可行的方法。     

考虑应力松弛的单晶涡轮叶片蠕变疲劳寿命预测

建立了民用航空发动机单晶涡轮叶片考虑应力松弛的蠕变疲劳寿命预测方法,该方法在热弹性蠕变有限元计算基础上,综合单轴等应变松弛模型及多轴应力修正因子预测全寿命周期内的应力松弛历程,应力下限取为一次应力.利用综合时间硬化隐式蠕变方程描述蠕变变形,结合损伤雨流计数法及Morrow方程计算疲劳损伤,基于Robinson法则的分段损伤线性累积方法计算全寿命周期内的蠕变损伤,总损伤达到临界损伤时获得蠕变疲劳寿命.通过对公开的单晶材料蠕变疲劳数据的分析,临界损伤定为0.5.结果显示,考虑应力松弛的蠕变疲劳寿命是不考虑应力松弛的45.6倍.为保证可靠性而兼顾经济性,叶片寿命预测时,可先有限元循环加载n个循环,再利用所提出的方法预测2n个循环内的应力松弛历程.      

基于有限元全耦合方法的耳片疲劳损伤力学分析

精确分析和预测连接耳片结构的疲劳寿命对保证飞机安全具有重要意义。采用损伤力学—有限元全耦合方法对飞机上典型连接耳片结构进行分析,得到该结构的疲劳损伤演化过程和疲劳寿命;将分析结果与疲劳寿命工程估算方法——名义应力法进行比较,证明损伤力学—有限元全耦合方法应用于结构寿命预测的可行性,并将损伤力学—有限元全耦合方法与线性Miner准则、损伤全解耦方法进行对比分析。结果表明：损伤力学有限元全耦合方法,其计算结果是唯一的、确定的,比运用线性Miner准则和损伤全解耦方法所得的结果更准确,弥补了名义应力法的不足。     

含缺陷轮盘失效概率分析流程与数值模拟

传统的涡轮盘寿命预测方法未考虑材料初始缺陷，因而无法对带缺陷轮盘进行较准确的寿命预测。本文以加工制造过程中产生的不同缺陷分布特征为基础，重点针对加工导致的孔表面缺陷以及与材料固有的表面、亚表面及内部缺陷，开展航空发动机涡轮盘的失效概率分析。考虑了初始缺陷、应力、检测时间、检测水平等多种随机性对涡轮盘失效概率的影响，建立了含缺陷涡轮盘的失效概率分析流程。为提高计算效率，对轮盘固有缺陷的分析方法进行改进，对轮盘重新分区，并将表层细分为表面、亚表面、内部三部分分别进行计算。通过编写C++程序分析并验证了含缺陷轮盘失效概率分析方法的可行性，获得的结论具有工程应用参考价值。本文方法在满足一定精度的同时具有较高的计算效率，并对应力水平、检测时间的分散性和模拟次数等对失效概率的影响进行了讨论。     

考虑尺寸效应的轮盘应力疲劳概率寿命分析方法

针对基于应变寿命模型的体方法对中、长寿命轮盘及模拟件寿命预测精度不准的缺陷,提出了考虑尺寸效应基于应力寿命模型的体方法,将最大应力比作为寿命可靠性计算的一个参数.对轮盘模拟试件进行了考虑尺寸效应的疲劳寿命可靠性分析,计算概率寿命与试验中值寿命相差14％,吻合良好.而传统的应变寿命点方法中值寿命预计结果误差达15倍之多.表明考虑尺寸效应的应力寿命体方法可以用来预估中、长寿命轮盘及模拟件的概率寿命.      

基础随机激励下纤维增强复合薄板振动疲劳寿命预报

针对传统有限元建模黑箱操作多、计算成本大、不具有自主知识产权等问题,基于经典层合板理论,随机振动理论和Miner线性积累损伤准则,建立了基础随机激励下纤维增强复合薄板振动疲劳寿命预测的解析模型。基于应力模态法,推导了纤维增强复合薄板的应力频响函数,在考虑随机激励的基础上,得到了结构的随机振动等效应力功率谱密度函数。通过Dirlik、Bendat和Benasciutti-Tovo三种频域模型对应的概率密度函数,成功求解了相应的振动疲劳寿命。另外,采用ANSYS与nCode软件对模型及其预测结果的正确性进行了验证,研究发现该模型寿命计算结果相对于商业软件计算结果的偏差不超过14.8%,但计算效率提高了17%～33%。因此,该模型可为预测随机激励下各向异性复合薄板的振动疲劳问题,提供一种思路和工具。     

航空发动机低压中介主轴多轴疲劳寿命预测

以航空发动机低压中介主轴为研究对象,利用ANSYS软件对低压中介主轴进行有限元分析,得到主轴不同关键截面的应力-应变。基于临界平面法,在分析原有模型损伤参量的基础上,引入最大法向应力对原有模型进行修正,并利用坐标变化原理,明确了临界平面及控制损伤参量的确定方法。在存在平均应力时,修正后的模型可直接用于材料的多轴疲劳寿命预测。在此基础上,利用修正后的多轴疲劳寿命预测模型对低压中介主轴进行寿命预测,并从危险截面位置确定和预测寿命大小方面与传统的EGD-3寿命预估法进行对比分析。结果表明:EGD-3寿命预估法预测寿命偏于保守,且预测的危险截面位置与已有试验数据不符。与之相比,利用多轴疲劳寿命预测模型可以更好地预测低压中介主轴的危险截面位置和多轴疲劳寿命。     

碳纤维缠绕复合气瓶自紧力和疲劳的数值模拟

采用数值模拟方法研究了自紧工艺对碳纤维缠绕复合气瓶的应力分布和疲劳性能的影响。基于ANSYS商用有限元分析软件,考虑气瓶封头部分碳纤维缠绕层的角度和厚度沿封头子午线的连续变化,建立了有限元模型。分析验证了54 MPa自紧压力对复合气瓶零压和35 MPa工作压力下内衬和复合材料缠绕层应力的影响,并利用Coffin-Manson公式预测了复合气瓶的疲劳寿命。结果表明,自紧后复合气瓶内衬在工作压力下的最大应力减小了29.1%。有限元计算的疲劳寿命结果与实验测定结果之间的误差<8%,验证了有限元模型和计算方法的正确性。     

复合材料层合板疲劳逐渐累积损伤寿命预测方法

针对疲劳载荷作用下的纤维增强复合材料层合板, 发展了疲劳逐渐累积损伤寿命预测方法.该方法主要包括应力分析、失效分析及材料性能下降三部分.其中, 应力分析是通过三维有限元数值分析技术实现的;失效分析采用改进的Hashin静态失效准则判断疲劳损伤的产生和扩展;材料性能是基于突降和渐降两种准则进行退化的.所发展的方法可以预测不同铺层顺序、不同几何尺寸的复合材料层合结构在疲劳载荷下的损伤起始、扩展、直至结构最终破坏整个过程, 并预测其疲劳寿命.同时, 在ANSYS软件平台上, 开发了相应的参数化复合材料层板结构的疲劳逐渐损伤分析程序.与已有文献结果比较, 误差在10%以内.      

复合材料层合板有限元分析及疲劳寿命预测

采用有限元方法对复合材料的疲劳进行模拟计算,建立有限元模型,进行疲劳寿命预测。把复合材料的疲劳失效过程模拟成为在外载荷作用下材料性能逐步退化、应力重分布、损伤累积的过程,并利用MSC．PATRAN／NASTRAN进行算列分析,并与试验结果相比较,误差较小,可以作为预测复合材料层合板寿命的方法。     

DZ125光滑试样与小孔构件低循环/保载疲劳寿命建模

依据定向结晶合金DZ125光滑试样的低循环/保载疲劳试验寿命数据,提出一种预测定向结晶合金低循环/保载疲劳寿命的模型.此寿命模型可以同时考虑材料的晶向、平均应力、应变范围、应变比、最大应力对寿命的影响.接着研究DZ125合金光滑试样低循环/保载疲劳寿命与小孔构件低循环/保载疲劳寿命的关系,提出一种从光滑试样低循环/保载疲劳寿命数据预测小孔构件低循环/保载疲劳寿命的方法.应用本文提出的寿命模型,预测DZ125带小孔构件的低循环/保载疲劳寿命,并将预测寿命与小孔构件试验寿命对比,误差在2倍分散带左右.      

Individual aircraft life monitoring: An engineering approach for fatigue damage evaluation

Individual aircraft life monitoring is required to ensure safety and economy of aircraft structure, and fatigue damage evaluation based on collected operational data of aircraft is an integral part of it. To improve the accuracy and facilitate the application, this paper proposes an engineering approach to evaluate fatigue damage and predict fatigue life for critical structures in fatigue monitoring. In this approach, traditional nominal stress method is applied to back calculate the S-N curve parameters of the realistic structure details based on full-scale fatigue test data. Then the S-N curve and Miner’s rule are adopted in damage estimation and fatigue life analysis for critical locations under individual load spectra. The relationship between relative small crack length and fatigue life can also be predicted with this approach. Specimens of 7B04-T74 aluminum alloy and TA15M titanium alloy are fatigue tested under two types of load spectra, and there is a good agreement between the experimental results and analysis results. Furthermore, the issue concerning scatter factor in individual aircraft damage estimation is also discussed.     

机翼下壁板螺栓连接件疲劳寿命分析

建立三维实体模型,设置面面接触,并施加螺栓载荷来模拟预紧力来模拟螺栓连接。计算得到某型飞机机翼下壁板螺栓连接试验件的应力云图,分析得出受力最严重部位。通过名义应力法计算该连接件的疲劳寿命。运用MATLAB拟合生成理论应力集中系数为3.720 2下的S-N曲面,从而计算出各级载荷下的疲劳寿命和损伤。根据M iner线性累积损伤准则计算出了连接件的疲劳寿命,与传统的板杆单元应力严重系数法的计算结果以及实验结果进行了对比,发现疲劳寿命计算结果吻合较好。     

一种直升机尾传动轴抗弹击损伤容限分析方法

为保障直升机被弹击后仍具备充足时间供直升机安全降落,亟需对弹击后传动轴进行损伤容限设计,确保其被击中后仍拥有足够的剩余疲劳寿命.本文提出了一种直升机尾传动轴抗弹击损伤容限分析方法,可有效预测弹击损伤后的疲劳裂纹扩展寿命.采用该方法对尾传动轴进行弹击动力学仿真分析;其次,发展一种非标准断裂韧度测试方法以获取尾传动轴的断裂...     

An accelerated life test model for harmonic drives under a segmental stress history and its parameter optimization

Harmonic drives have various distinctive advantages and are widely used in space drive mechanisms. Accelerated life test(ALT) is commonly conducted to shorten test time and reduce associated costs. An appropriate ALT model is needed to predict the lifetime of harmonic drives with ALT data. However, harmonic drives which are used in space usually work under a segmental stress history, and traditional ALT models can hardly be used in this situation. This paper proposes a dedicated ALT model for harmonic drives applied in space systems. A comprehensive ALT model is established and genetic algorithm(GA) is adopted to obtain optimal parameters in the model using the Manson fatigue damage rule to describe the fatigue failure process and a cumulative damage method to calculate and accumulate the damage caused by each segment in the stress history.An ALT of harmonic drives was carried out and experimental results show that this model is acceptable and effective.     

球轴承接触疲劳寿命预估的损伤力学-有限元法

以线弹性力学及连续损伤力学为基础,构建球轴承接触疲劳的损伤演化方程。利用轴承钢GCr15扭转疲劳试验数据拟合得到损伤演化方程中的材质参数。通过该方程预估轴承钢GCr15的扭转疲劳寿命,其结果与试验数据吻合。采用ABAQUS有限元分析软件仿真得到6206球轴承的接触应力分布并分析了6206球轴承最大接触应力区。根据6206球轴承的载荷及应力应变状态将最大接触应力区简化为二维平面应力模型。在此基础上预估了6206球轴承的接触疲劳寿命。设计并进行了6206球轴承疲劳强化试验。轴承接触疲劳剥落都萌生于内圈,与应力仿真分析结果相契合。三个试验轴承的试验与预估接触疲劳寿命的相对误差分别为29.52%、3.03%和51.16%,验证了接触疲劳寿命预估方法的有效性。研究表明采用损伤力学预估球轴承的接触疲劳寿命是工程中可行且实用的方法。