考虑小裂纹特性的裂纹扩展数值分析方法及实验验证

为了对工程断裂关键件进行全面的损伤容限分析,需要发展一种能够考虑小裂纹阶段的疲劳裂纹扩展数值分析方法。在Paris公式的基础上基于镍基粉末高温合金小裂纹扩展行为特点,提出了一种小裂纹加长裂纹阶段的裂纹扩展物理力学过程描述,并以此建立了裂纹扩展速率模型。同时考虑到工程应用,将该模型通过FRANC3D软件的用户子程序,与有限元方法结合,构建了一种可分析实际工程结构例如航空发动机涡轮盘上疲劳裂纹扩展的数值分析方法。针对带初始缺陷的FGH96合金标准试棒进行了裂纹扩展数值分析,并与开展的裂纹扩展寿命实验进行了对比。数值计算结果与实验结果吻合较好,表明该方法能够充分考虑小裂纹阶段的裂纹扩展行为特点,适用于分析工程结构疲劳裂纹扩展的全过程。     

飞机结构的腐蚀疲劳及其控制

简述了环境介质对飞机结构疲劳裂纹形成和扩展的影响，讨论了腐蚀疲劳扩展的特点，从工程实践出发推荐了用于工程结构腐蚀疲劳裂纹扩展分析的基本方程。     

关于一种宏观疲劳裂纹扩展特性假说的探讨

提出一个关于宏观疲劳裂纹扩展特性的假说：用不同的方法分析宏观疲劳裂纹扩展数据,宏观疲劳裂纹扩展可以表现出不确定性和确定性两种不同的特性。给出一种图形分析法,并用该方法分析了16MnR钢板的16套宏观疲劳裂纹扩展实验数据,分析结果验证了该假说。     

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。     

腐蚀环境下疲劳裂纹扩展试验

腐蚀严重危害飞机结构的安全。为了研究腐蚀对裂纹扩展的影响，完成了3种加载频率下的腐蚀疲劳裂纹扩展试验，并与实验室空气环境下的试验结果进行了比较。研究了加载频率对腐蚀疲劳裂纹扩展率的影响。结果表明，腐蚀减少了结构的裂纹扩展寿命，但频率对结构的裂纹扩展速率没有明显的影响。     

腐蚀环境下的概率裂纹扩展分析

给出了裂纹扩展的概率方法，完成了3种加载频率的腐蚀疲劳裂纹扩展试验。用概率方法研究了加载频率对腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响，给出了在给定时间内的裂纹尺寸分布和在给定裂纹长度时的寿命分布。结果表明随着频率的增加，腐蚀的影响减小。预测结果与试验结果比较吻合，可以为飞机结构的损伤容限设计提供参考。     

平稳随机载荷历程下的疲劳裂纹扩展规律预测

工程中多数裂纹构件的受载是随机的,为了更合理、更准确地预测出服役裂纹构件的剩余寿命,针对裂纹构件承受平稳随机载荷且载荷历程的具体特征、载荷水平及载荷作用频度未知的情况,提出了一种预测疲劳裂纹扩展寿命的新方法。该方法根据一段时间对裂纹扩展情况的跟踪观测,推断裂纹扩展规律,实现疲劳裂纹扩展剩余寿命预测。根据应力大小与载荷作用频度是否均已知,将该方法分为两阶段观测法与单阶段观测法。结合一个具体的工程案例,详细阐述了该方法的应用,且验证了其可行性。所提出的方法应用方便、操作简单,可作为工程中预测疲劳裂纹剩余寿命的一种依据。     

镍基合金GH4169疲劳小裂纹的扩展行为

基于表面复型法，采用快速固化材料RepliSet监测了镍基合金GH4169单边缺口拉伸试样疲劳小裂纹的萌生和扩展行为，利用光学显微镜对复型进行了观测。结果表明:RepliSet材料可有效复制试样表面形貌，记录疲劳小裂纹的萌生和扩展过程。镍基合金GH4169疲劳小裂纹起始于材料表面夹杂，疲劳小裂纹早期扩展阶段受微观结构影响，扩展速率波动性较大。疲劳小裂纹扩展过程中的临界裂纹长度约为250μm，当主裂纹长度小于250μm时，裂纹扩展非常缓慢；但当裂纹长度超过250μm后，疲劳小裂纹快速扩展成为长裂纹并导致试样断裂。在双对数坐标系中，疲劳小裂纹扩展速率和裂纹长度近似为线性关系。      

2024-T42铝合金疲劳裂纹扩展曲线的拟合方法研究

 提出了一种疲劳裂纹扩展曲线( a-N 曲线) 的新拟合方法,并采用这种新的拟合方法对2024-T42 铝合金CCT 试样的疲劳裂纹扩展数据进行了拟合分析。通过疲劳裂纹扩展寿命计算结果和试验结果的对比分析,证明这种新的裂纹扩展曲线拟合方法具有较高拟合精度。经过实验和计算分析,还给出了2024-T42 铝合金的疲劳裂纹扩展速率材料常数c 和n 值。     

时效状态对7055铝合金疲劳裂纹扩展速率的影响

研究了室温大气环境下欠时效态和峰时效态7055铝合金的疲劳裂纹扩展行为,并分别利用透射电镜和扫描电镜对合金的微观组织及疲劳断口进行分析.结果表明,欠时效态合金的疲劳裂纹扩展速率较慢,表现出较大的疲劳裂纹扩展抗力.而峰时效态合金的疲劳裂纹扩展速率较快,疲劳裂纹扩展抗力较小.用位错的平面滑移性和循环滑移可逆性解释了时效对疲劳裂纹扩展速率的影响.欠时效态和峰时效态的疲劳断口均以穿晶为主.在疲劳裂纹的第二扩展阶段,欠时效态合金呈现清晰的疲劳条纹,而峰时效态合金出现二次裂纹,未发现疲劳条纹.     

铝合金结构腐蚀疲劳裂纹扩展与剩余强度研究

 在3.5%NaCl腐蚀溶液环境下对含中心孔LY12 CZ铝合金紧固件的疲劳裂纹扩展进行了试验研究，得到3种不同频率下紧固件的腐蚀疲劳裂纹扩展曲线。试验结果说明，随着频率的增加，腐蚀疲劳裂纹扩展速率逐渐降低，腐蚀溶液中疲劳裂纹扩展速率比在空气中大。以试验数据为基础，结合裂纹扩展分析软件AFGROW，提出一种可以用数值方法模拟腐蚀疲劳裂纹扩展的方法，模拟结果和试验结果符合较好。对紧固孔试验件利用2种失效模式进行了剩余强度分析，得到腐蚀环境下紧固孔结构的剩余强度曲线。     

腐蚀环境下30CrMnSiNi2A疲劳裂纹扩展特性试验研究

对30CrMnSiNi2A在5种单一腐蚀环境和3种组合环境下的疲劳裂纹扩展特性进行了试验研究。通过试验获得的裂纹扩展数据，采用Paris公式进行条件拟合，得到各种环境下的裂纹扩展常数G，并作了对比分析。结果表明，腐蚀环境的参与使30CrMnSiNi2A的疲劳裂纹扩展速率明显加快，不同腐蚀环境对疲劳裂纹扩展速率的影响程度不同，但腐蚀介质对临界裂纹长度的影响很小。     

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。      

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。     

基于虚拟裂纹闭合法的铝合金疲劳裂纹扩展分析

基于虚拟裂纹闭合法,以Abaqus有限元软件为平台,编写了用户单元子程序,计算出不同裂纹扩展阶段的应变能释放率和裂纹尖端应力强度因子。结合Paris公式,建立了有限元裂纹扩展模型,可仿真再现疲劳裂纹扩展过程,预测裂纹扩展寿命,为损伤容限评估方法提供一种技术支持。     

基于小裂纹理论的航空材料疲劳全寿命预测

综述了基于小裂纹理论的疲劳全寿命预测方法。该方法把断裂力学的ΔK分析与裂纹闭合概念结合起来,应用于自然萌生的小裂纹和长裂纹的扩展,并全部基于对起源于材料初始缺陷的裂纹扩展分析预测疲劳全寿命。这一方法已被作者成功地应用于多种航空材料,包括:4种高强度铝合金、2种高强钢和2种钛合金,载荷类型涉及恒幅、Mini-Twist和直升机旋翼谱等。结果表明,预测的疲劳全寿命与实验结果吻合良好,从而为把基于断裂力学裂纹扩展的损伤容限方法向传统的疲劳领域(S-N曲线,安全寿命)延伸开辟了可行的途径。     

考虑应力比及温度影响的粉末高温合金短裂纹扩展模型研究

短裂纹扩展已成为先进粉末涡轮盘疲劳寿命预测的关键，为了准确模拟粉末高温合金材料短裂纹扩展阶段，针对FGH96粉末高温合金，重点关注应力比、温度对短裂纹扩展的影响规律，建立了一种工程适用的、基于Tanaka模型修正的短裂纹扩展寿命预测方法。模型采用裂纹闭合参数表征应力比影响、采用热力学理论表征温度影响，实现了不同应力比、温度条件下短裂纹扩展规律的统一描述，相比于传统模型在预测精度、工程适用性方面具有显著优势，与试验结果的相对误差小于20%。     

飞机典型结构细节——紧固孔随机裂纹扩展分析

根据7475T761铝合金犬骨型试样在随机谱载荷作用下的试验结果,采用两种随机裂纹扩展分析的方法,即通用的和解析的分析方法,研究了飞机典型结构细节——紧固孔中疲劳裂纹扩展的概率累积损伤,给出了概率裂纹扩展轨迹、裂纹扩展损伤累积分布及裂纹超出数的概率。试验结果与预测结果的比较表明,两者十分吻合,能满足工程精度的要求,为飞机结构的耐久性和损伤容限评估提供了适用的分析手段。     

考虑应力比的疲劳裂纹扩展概率模型

考虑到应力比对疲劳裂纹扩展速率的影响及裂纹扩展的分散性,在Paris公式基础上,提出了一种考虑应力比的疲劳裂纹扩展概率模型;运用非线性函数线性化原理给出概率模型参数的求解方法;通过该概率模型和曲面,可从宏观上把握应力比对裂纹扩展的影响规律及得到任意应力比下的概率疲劳裂纹扩展速率曲线;对30CrMnSiNi2A钢试验数据的处理及分析验证了该模型的有效性和实用性.      

结构细节多裂纹扩展分析的新方法──变量优化法

以确定性疲劳裂纹扩展分析为基础,推出了一种多裂纹扩展分析的新方法———变量优化法．给出了两种典型结构细节多裂纹扩展分析结果,结果表明：变量优化法比工程试凑法更有效,精度更高,比解非线性方程组法更符合工程实际,更容易被人们所接受。