热载荷下热障涂层表面裂纹-界面裂纹的相互作用

针对热障涂层在热循环载荷下陶瓷层表面和氧化层/黏结层界面形成裂纹而导致涂层失效的问题,采用扩展有限元和内聚力单元建立陶瓷层表面裂纹与氧化层/黏结层界面裂纹相互作用的有限元模型,得到不同裂纹附近应力分布和开裂程度,分析了这2种裂纹之间的相互影响,结果表明:表面裂纹对界面裂纹影响较大,而界面裂纹对表面裂纹影响较小;氧化层几何参数以及材料参数对2种裂纹演变的影响研究结果表明:氧化层正弦幅值和厚度主要影响界面裂纹,在热载荷下,氧化层越粗糙,界面裂纹扩展速度越快。黏结层弹性模量主要影响界面裂纹扩展程度,而陶瓷层弹性模量主要影响表面裂纹扩展程度,对界面裂纹间接地产生较大影响。     

含MSD共线多孔平板应力强度因子有限元分析

利用FRANC2D/L对含MSD某型飞机增压舱蒙皮搭接接头进行了有限元分析,得到了不同损伤模式下的应力强度因子(SIF)的计算曲线,和已有的文献比较表明,数值结果精确,方法可靠,即不同长度裂纹的SIF计算可有效地通过FTRANC2D/L的裂纹扩展功能来实现。计算结果表明,在某些情况下,MSD裂纹的SIF可按单裂纹的SIF进行计算;影响MSD裂纹SIF的因素主要是临近裂纹的长度、裂纹间或裂尖与钉孔间的距离。最后给出裂纹连通前后MSD裂纹SIF随裂纹扩展历程变化的规律。     

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。     

裂纹参数和筋条布局对共振九宫板动态应力强度因子的影响

由于裂纹的出现会改变振动结构的断裂行为,本文建立了含中心裂纹九宫板结构的有限元模型并采用模态叠加原理快速求解出该结构在共振条件下的裂纹尖端应力强度因子（SIF）,然后分析并讨论了裂纹参数（偏转角度和裂纹长度）及筋条布局对应力强度因子的影响。结果表明：随着裂纹偏转角度的增加,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型应力强度因子最大值分别表现出不同的变化趋势（单调增加、无显著变化、先增加后减小）;裂纹长度同时影响应力强度因子最大值和裂纹类型;对于裂纹参数相同的九宫板,筋条布局改变了结构的模态振型,从而导致不同裂纹类型出现;特别地,当九宫板中央区域为正方形时,应力强度因子最大值和裂纹类型对裂纹偏转角度不敏感。     

锪窝孔边扇形角裂纹应力强度因子的三维有限元分析

 根据航空等领域内锪窝铆接及锪窝锣接构件的典型结构特征,采用三维的十节点四面体等参有限单元模型,分别对无裂纹及孔边含裂纹锪窝孔 /直通孔结构进行了模拟分析;得到了锪窝孔构件的危险部位及90°,120°锪窝孔边扇形角裂纹的应力强度因子,给出了覆盖面广的计算曲线;通过对计算结果的分析,讨论了裂纹长度、孔径以及板厚等因素对应力强度因子的影响。和已有的文献比较表明,本文数值结果精确,方法可靠。     

Introduction of fretting-contact-induced crack closure: Numerical simulation of crack initiation and growth path in disk/blade attachment

Fretting fatigue crack initiation and growth in titanium alloy dovetail assembly was investigated by the Finite Element Method(FEM). Firstly, contact stress was calculated precisely with an elastic–plastic material model. Secondly, the location and angle of crack initiation were determined by the parameter of the maximum shear stress range on the critical plane, and the angle of crack growth was predicted by the Maximum Tangential Stress(MTS) criterion, which showed agreement with experimental observation. Finally, the fretting-contact-induced crack closure behavior was simulated by the node release technique in software ABAQUS with both elastic and elastic–plastic material models. The simulation shows that the variation of the contact status between fretting surfaces will result in crack closure even for the elastic material model. The fretting crack closure ratio decreases as the crack grows out of the contact area and it has great impact on the effective range of Stress Intensity Factor(SIF) as well as the crack growth rate.     

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。     

各型分枝裂纹的应力强度因子计算

 本文利用Schwartz-Christoffel映射函数及Muskhelishvili的复变函数方法分析各型分枝裂纹问题。计算结果表明,用本文方法确定各种分枝裂纹的应力强度因子是完全可行的。     

喷丸强化7475-T7351铝合金的小裂纹行为和寿命预测

对7475-T7351铝合金进行了喷丸强化和未喷丸(机械加工后抛光)单边缺口拉伸(SENT)试样的小裂纹扩展行为试验研究,利用权函数法(WFM)和叠加原理分析计算了三维表面小裂纹在外加载荷和残余应力场联合作用下的应力强度因子(SIF),并将其加入到基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析程序FASTRAN3.9中,采用该程序预测了均布外载荷σmax=160MPa、R=0.06下,喷丸强化和未喷丸SENT试样自然萌生裂纹扩展的a-N曲线。研究发现喷丸强化残余压应力对疲劳小裂纹扩展速率的降低是疲劳寿命延长最主要的原因,采用基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析方法能够较好地定量描述喷丸强化的疲劳延寿作用。     

直升机高速四点接触球轴承接触疲劳可靠性评估方法

为了准确高效地分析高速四点接触球轴承的接触疲劳可靠性,将蒙特卡罗随机有限元(MC SFEM)与应力-强度干涉理论相结合提出了一种有效的可靠性分析方法.在高速、高温和弹流润滑（EHL）的复杂工况下,利用有限元法(FEM)建立了基于热 结构耦合分析的有限元模型.考虑到轴承材料属性、润滑油参数及接触疲劳强度的随机性对可靠性的影响,在借助MC SFEM和K S (Kolmogorov Smirnov)检验确定了高速四点接触球轴承疲劳接触应力分布类型的条件下,根据应力-强度干涉理论建立了高速四点接触球轴承接触疲劳可靠性评估方法.结果表明:与传统的MC SFEM方法相比,该方法的耗时仅是传统MC SFEM的0.243％,两者之间的可靠性误差仅为1.48％,进一步验证了该方法的有效性.      

无限板孔边裂纹问题的高精度解析权函数解

用Wu-Carlsson解析权函数法（WFM）求得了无限板孔边径向单裂纹和对称双裂纹的高精度解析权函数（WF）。分别用Shivakumar-Forman和Newman的解及基于复变函数泰勒级数展开的数值权函数WCTSE法结果,通过对相应格林函数（GF）的逐点比较验证了本文解析权函数的精度。该权函数不但精度高,而且作为裂纹长度的连续函数,能够高效准确地求解任意长度（a/R≤2）裂纹在任意复杂载荷作用下的断裂力学关键参量;且孔边单/双裂纹问题的权函数的形式和推导方法完全相同。作为示例,用该解析权函数计算了孔边裂纹在裂纹嘴楔形载荷、裂纹面幂函数,以及圆孔冷挤压残余应力等多种载荷形式下的应力强度因子。     

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。     

涡轮盘销钉孔损伤容限分析新方法及其应用

本文提出温度及离心载荷作用下三维构件损伤容限分析方法。该方法采用新型双重边界元法分析温度及离心力载荷作用下的涡轮盘三维裂纹应力强度因子 (SIF) ,并结合 Paris公式及 Euler法获得涡轮盘销钉孔边裂纹扩展形状及裂纹扩展寿命 ,进而采用二次估计方法获得涡轮盘裂纹扩展寿命修正值。利用新型双重边界元法分析了销钉载荷、温度场、裂纹形状对轮盘孔边三维裂纹应力强度因子的影响 ,并对以往涡轮盘销钉孔边裂纹扩展寿命分析工程方法的近似性进行了讨论。文中算例表明采用本文方法分析复杂载荷三维裂纹扩展寿命具有效率高、建模方便的优点。     

整体加筋壁板的破损安全特性与断裂控制分析

用有限元和断裂力学方法分析大型整体机翼下壁板的破损安全特性。对一个九桁条铝合金整体加筋板,裂纹从断裂筋条下向两侧均匀扩展的开裂形式,进行了应力强度因子和剩余强度计算,并和另一个具有相同构形的铆接加筋板的结果进行对比。当裂纹长度在两倍桁条间距以内时两种加筋板的剩余强度水平相当。但是当整体壁板中的裂纹穿过外侧相邻桁条时,整体桁条的止裂能力逐渐减弱。研究对整体壁板蒙皮胶接止裂条的断裂控制措施及有限元建模分析方法,描述止裂条胶层局部脱粘的处理方法和迭代过程。止裂条材料分别选用了钛合金和单向层压复合材料。计算结果说明胶接止裂措施能显著提高整体加筋板的破损安全性能。     

固体发动机药柱的裂纹稳定性分析

为了确定固体发动机药柱内表面裂纹在内压与轴向过载联合作用下的稳定性及最大允许裂纹深度，以翼锥药形的固体发动机为例，在危险截面上沿危险方向预设裂纹，采用有限元方法，于裂纹尖端构建奇异二维裂纹元，模拟裂纹扩展，分别计算随着裂纹扩展对应裂纹深度的应力强度因子，由此判断在内压与轴向过载作用下，裂纹只能以滑开方式失稳，最大允许裂纹深度可由临界应力强设因子确定。     

夹杂对粉末高温合金裂纹扩展寿命的影响

采用有限元方法中的奇异单元,研究了当粉末高温合金FGH 95中存在由夹杂引起的裂纹时,夹杂对裂纹应力强度因子的影响;并在此基础上,利用Paris公式,计算了夹杂对裂纹扩展寿命的影响。研究结果表明:当夹杂处于裂纹的不同位置时,对应力强度因子的影响趋势也不同,且硬夹杂的影响趋势与软夹杂相反;存在软夹杂时,将夹杂当作初始裂纹,不考虑夹杂的影响得出的裂纹扩展寿命结果是安全的,而对于硬夹杂得出的结果偏于危险,对于FGH 95粉末高温合金,夹杂相对于基体材料其弹性模量偏小,为软夹杂,因此将夹杂当作初始裂纹计算裂纹扩展寿命时不考虑夹杂的影响,将得到偏于安全的裂纹扩展寿命计算结果。这一结论为简化粉末冶金涡轮盘的寿命分析提供了依据。      

锪窝填充孔孔边角裂纹应力强度因子的有限元分析

对锪窝填充孔孔边角裂纹应力强度因子进行研究对提高结构安全性具有重要意义。根据飞机上常用的锪窝铆接典型结构,运用ANSYS软件对锪窝孔孔边角裂纹进行有限元分析,建立铆钉与锪窝孔接触模拟铆钉对锪窝孔的填充作用。计算得到含铆钉填充以及空孔时锪窝孔边不同裂纹尺寸下裂纹前缘的应力强度因子分布。对比分析结果表明：铆钉填充能显著降低锪窝孔边角裂纹的应力强度因子,提高结构寿命。     

Numerical Simulation of Dynamic Response of Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composite Beam with Matrix Cracks Using Multiscale Modeling

A multiscale method for simulating the dynamic response of ceramic matrix composite (CMC) with matrix cracks is developed. At the global level, the finite element method is employed to simulate the dynamic response of a CMC beam. While at the local level, the multiscale mechanical method is used to estimate the stress/strain response of the material. A distributed computing system is developed to speed up the simulation. The simulation of dynamic response of a Nicalon/CAS-II beam being subjected to harmonic loading is performed as a numerical example. The results show that both the stress/strain responses under tension and compressive loading are nonlinear. These conditions result in a different response compared with that of elastic beam, such as: 1) the displacement response is not symmetric about the axis of time; 2) in the condition of small external load, the response at first order natural frequency is limited within a finite range; 3) decreasing the matrix crack space will increase the displacement response of the beam.     

多孔多裂纹平板的疲劳裂纹扩展试验与分析方法

飞机结构广布疲劳损伤是目前大型客机损伤容限设计与分析的难点。通过试验研究了典型多孔多裂纹2024-T3铝合金平板的裂纹扩展行为。试验结果表明：相邻孔边裂纹之间的相互干扰明显降低了共线多裂纹平板的疲劳裂纹扩展寿命。就本文研究的典型多孔板,所有孔边都出现了等长裂纹这一极端情况,其裂纹扩展寿命是单孔平板孔边裂纹扩展寿命的10%左右。本文采用Eshelby夹杂理论和权函数法给出了典型多孔多裂纹问题的应力强度因子近似解析解,并结合Paris裂纹扩展公式预测疲劳裂纹扩展寿命。与采用有限元法获得应力强度因子并预测多孔多裂纹板的疲劳裂纹扩展寿命进行对比,对比结果表明：采用解析解和有限元解获得的应力强度因子预测的疲劳裂纹扩展寿命与试验结果吻合良好;相比于有限元法,本文的应力强度因子解法简单、高效,将有助于飞机结构多位置损伤（MSD）的疲劳裂纹扩展寿命预测分析。     

GLALL层板疲劳裂纹扩展特性分析

对玻璃纤维/铝合金混杂复合层板GLALL的疲劳裂纹扩展特性进行了有限元分析, 应用能量法得到了GLALL板铝合金层裂纹尖端的应力强度因子随裂纹长度的变化规律。由于高强度玻璃纤维对铝合金层裂纹的桥接作用, 降低了裂纹尖端的应力强度因子, 因而使得裂纹的疲劳扩展速率也大为降低, 且随裂纹长度的增加基本不变化。计算结果与实验符合很好。