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。     

基于高斯权值-混合建议分布粒子滤波的疲劳裂纹扩展预测

飞行器结构的疲劳裂纹扩展预测对保障结构安全、实现视情维护具有重要意义。结合粒子滤波算法和结构健康监测方法进行在线的疲劳裂纹扩展预测是近年来刚刚开始研究的新方法,该方法通过状态空间模型表征疲劳裂纹扩展过程中的不确定性,同时通过贝叶斯方法将结构健康监测所获取的结构实际裂纹观测值用于修正裂纹扩展模型的预测误差,实现更准确的疲劳裂纹扩展在线预测。由于该方法的研究刚刚开展,已有研究中粒子滤波算法的重要性密度函数往往简单选取为先验转移概率密度,存在严重的粒子退化问题。另一方面出于简单考虑,仅采用表征裂纹稳定扩展区的Paris模型。针对上述问题,本文提出一种基于高斯权值-混合建议分布粒子滤波的疲劳裂纹在线预测方法,基于表征裂纹全扩展区域的NASGRO裂纹扩展模型建立疲劳裂纹扩展状态方程,以主动Lamb波监测方法实现结构裂纹的在线监测,借助在线结构健康监测的优势,在粒子滤波时选取重要性密度函数为观测概率密度和先验转移概率密度的混合分布,同时基于先验估计获取高斯权值进行权值更新。本文进一步进行了仿真研究,结果表明所提出的方法优化了疲劳裂纹扩展预测的准确性。     

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。     

复杂环境下的三维疲劳断裂

 以三维弹塑性断裂理论为基础,对复杂载荷、复杂环境作用下的金属材料和结构的疲劳、断裂的若干关键问题进行了概要分析。给出了由材料性能试验的标准试样结果预测结构中一般形态缺陷的三维破坏的最新结果,获得了对不同载荷条件下腐蚀疲劳裂纹扩展的统一描述,介绍了由裂纹扩展基准曲线预测谱载腐蚀疲劳裂纹扩展寿命的最新进展,对结构服役寿命/日历寿命研究方法作了探讨。     

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。     

一种基于约束因子的超载迟滞模型

在常幅载荷中加入一个超载会明显影响后续一段时间裂纹扩展的速率.要准确预测结构在变幅载荷谱下的疲劳裂纹扩展寿命,必须研究超载对裂纹扩展的影响.现有的变幅疲劳裂纹扩展模型大致可分为屈服区模型、经验的裂纹闭合模型和条带屈服模型.条带屈服模型预测较准确但需要数值迭代求解,计算量大,且程序复杂,不利于工程应用;屈服区模型比较简单...     

考虑裂纹形状变化的TC4钛合金振动疲劳裂纹扩展寿命预测

对TC4板材试件进行振动疲劳裂纹扩展试验,测得裂纹扩展寿命与裂纹长度之间的关系.使用超景深显微镜对裂纹形状进行观测和分析,拟合裂纹形状参数.将拟合表达式应用于应力强度因子幅值的计算中,并对裂纹扩展寿命进行预测.结果显示:裂纹形状参数对预测结果影响较大.当该参数取定值时,预测结果与试验结果误差较大.而所拟合的拟合表达式可以简单、准确地预测裂纹扩展寿命.      

外物损伤压气机叶片损伤容限分析

为研究外物损伤造成的初始裂纹对压气机叶片疲劳寿命的影响,开发了基于ANSYS平台的三维平片裂纹扩展整体参数化自动模拟通用技术。通过应力强度因子计算结果与文献结果对比,证明所开发裂纹扩展模型有较好的精度。利用该模型,研究了外物损伤初始裂纹位置、形态和方向对压气机叶片低周疲劳寿命的影响。研究表明,叶片后缘疲劳裂纹扩展寿命最长;裂纹短/长轴比越大,疲劳裂纹扩展寿命越长;当初始裂纹面垂直于最大主应力方向时,疲劳裂纹扩展寿命最短。     

三维广布裂纹疲劳扩展分析

 飞机结构表面由于腐蚀、疲劳等原因存在三维广布裂纹,相邻裂纹在疲劳载荷作用下相互影响、相互促进,从而加速了结构破坏。为了探讨并求解三维广布裂纹结构的疲劳寿命,选取表面有两个半椭圆形表面裂纹的有限厚矩形板为计算模型,采用参数化有限元方法,求解裂纹前沿的应力强度因子、裂纹扩展方向和裂纹扩展增量,建立并应用应力强度因子变化历程,采用循环接循环损伤累积方法,对结构在疲劳载荷作用下的寿命进行了预测。预测结果为复杂环境中三维广布裂纹飞机结构的寿命评估提供了参考。     

飞机谱载荷下裂纹扩展的三维约束效应

研究裂纹端部三维应力约束、塑性约束和位移约束等对谱载疲劳裂纹扩展的影响。用适于三维应力状态的修正条带屈服模型 ( Modified Strip Yield Model)计算与裂纹扩展有关的三维约束因子。利用所得约束因子的理论解改进 NASA多年来发展的 FASTRAN-II寿命预测软件 ,使其避免了依赖经验确定的约束因子进行寿命预测的局限 ,仅利用一组常幅疲劳裂纹扩展数据和材料的常规机械性能便可预测飞机谱载下的裂纹扩展寿命。对多种谱型、应力水平、过载比和材料的组合情况进行了分析 ,预测寿命与试验结果吻合很好 ,证明本文方法和改进软件可以用于实际结构的寿命预测。     

TC4-DT焊接接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展实验及模拟研究

拉剪复合载荷作用下,构件中的裂纹呈现复杂的Ⅰ-Ⅱ复合型扩展模式,研究其扩展规律对准确评估构件疲劳寿命具有重要意义。针对TC4-DT钛合金电子束焊接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展规律开展研究,设计并加工紧凑拉伸剪切(CTS)试样,通过开展不同加载角度下接头试样的疲劳裂纹扩展实验,得到接头Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的a-N曲线及疲劳裂纹扩展路径。在上述基础上引入Ⅰ-Ⅱ复合型等效应力强度因子并结合Paris公式建立TC4-DT电子束焊接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展速率方程。采用扩展有限元法(XFEM)对复合型疲劳裂纹扩展过程进行数值模拟研究,得到不同加载角度下的扩展规律,并与实验结果进行比较。结果表明:不同加载角度下Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹开裂角模拟值与实验结果误差均在10%以内,并且扩展路径均与实验结果吻合;XFEM能够有效预测复合型疲劳裂纹扩展路径。     

Prediction of fatigue crack growth rate for small-sized CIET specimens based on low cycle fatigue properties

Based on experiments of low cycle fatigue for 5083-H112 aluminum alloy, two energy-based predictive models have been introduced to predict the fatigue crack growth behaviors of traditional Compact Tension (CT) and small-sized C-shaped Inside Edge-notched Tension (CIET) specimens with different thicknesses and load ratios. Different values of the effective stress ratio U are employed in the theoretical fatigue crack growth models to correct the effect of crack closure. Results indicate that the two predictive models show different capacities of predicting the fatigue crack growth behaviors of CIET and CT specimens with different thicknesses and load ratios. The accuracy of predicted results of the two models is strongly affected by the method for determination of the effective stress ratio U. Finally, the energy-based Shi&Cai model with crack closure correction by means of Newman’s method is highly recommended in prediction of fatigue crack growth of CIET specimens via low cycle fatigue properties.     

基于导波原位检测的复合材料疲劳表征与寿命预测研究

随着复合材料在先进飞行器结构中占比的逐渐增加,复合材料在服役过程中力学性能的变化对飞行器整体的安全至关重要。为了实现基于导波原位检测的飞行器复合材料整体部件疲劳评估和寿命预测,首先,从宏观和细观的角度研究复合材料疲劳损伤演化规律;在此基础上,通过分析导波波场信息,探究导波相速度、模态能量比等特征在表征复合材料疲劳方面的潜力;其次,从复合材料损伤机理出发,建立导波相速度与疲劳损伤累积的演化模型;然后,构建深度学习框架,以数据驱动的方式从导波波场中提取疲劳演化特征;最后,提 出基于贝叶斯模型平均方法的疲劳演化模型,对复合材料剩余疲劳寿命进行预测。结果表明：通过提取和分析导波特征信息,可以准确地对复合材料疲劳状态进行表征,结合贝叶斯模型平均方法和置信区间准则,实现了在试件疲劳破坏之前的剩余寿命预测。     

基于多传感器的裂纹扩展监测研究

疲劳裂纹扩展是结构健康监测的主要问题之一，为了保证金属结构的可靠和安全运行，实时监测结构的疲劳裂纹扩展过程十分必要。针对结构裂纹扩展的问题，采用压电传感器（PZT）和电阻应变片两种传感器，提出结合能够连续监测结构损伤的被动监测方法以及对微小损伤敏感的主动监测方法对裂纹扩展进行综合监测，以提高裂纹扩展的监测水平。采用随机森林算法对裂纹长度进行识别，并使用D-S证据理论对两种传感器的识别结果进行数据融合，得到比单一传感器更准确、可靠的裂纹扩展识别结果。进行了基于应变和主动Lamb波的裂纹扩展监测实验研究，验证了该方法对提高裂纹扩展监测识别准确率的有效性和实用性。     

基于平均扩展速率的裂纹扩展模型

不同于基于线弹性断裂力学（LEFM）的经典裂纹扩展模型,基于平均扩展速率的裂纹扩展模型通过形式简单的经验公式来描述随机载荷谱下单位飞行小时的平均裂纹扩展,该模型将随机谱当作"当量常幅谱"处理,模型中仅有两个特征参数,反映了所有复杂的载荷顺序效应及其他影响。基于该模型,进一步提出速率类比法则,可基于试验谱下扩展速率对未试验谱下扩展速率进行合理预测。首先介绍了基于Frost&Dugdale公式和基于Paris公式的平均扩展速率模型的内涵及参数推导方法,然后通过典型机身框关键部位模拟件在多种随机谱下的疲劳试验数据对平均扩展速率模型和速率类比法则进行试验验证。经对比分析,推荐使用基于Paris公式的平均扩展速率模型。经验证,采用基于Paris公式的模型和速率类比法则,可实现随机载荷谱下裂纹扩展速率和寿命的高精度预测。同时,速率类比法则的准确度与理论参数推导时选取的经典LEFM模型有关。平均扩展速率模型和速率类比法则为外场飞机单机寿命监控提供了一种可靠的疲劳寿命预测方法。     

腐蚀疲劳裂纹扩展与寿命估算

将有效的疲劳裂纹扩展速率表达式应用于腐蚀疲劳,对腐蚀疲劳裂纹扩展寿命估算进行了初步探讨。结果表明:腐蚀疲劳裂纹扩展速率(da/dN)_(CF)与(△K-△K_(thCF))在双对数坐标上呈线性关系。首次提出临界加载频率概念,频率高于临界加载频率,频率对裂纹扩展没有影响;频率低于临界加载频率,提出了表示频率对裂纹扩展速率影响的频率效应函数。经客观的验证,用文中提出的公式估算的腐蚀疲劳裂纹扩展寿命和实验寿命吻合良好。     

疲劳裂纹尖端残余应力场的深度-传感压痕测试与有限元分析

 飞机和发动机等重要装备承力结构在服役过程中通常承受变幅疲劳载荷作用。直接测量和分析由于过载塑性变形而导致的裂纹尖端附近残余应力场,对于较好地理解变幅加载下疲劳裂纹扩展行为,从而改善和发展疲劳寿命预测模型具有重要价值。本文基于微细尺度的深度-传感压痕(DSI)残余应力测量技术,研究了材料疲劳裂纹尖端附近残余应力场的实用测试技术,获得了铝合金中心裂纹拉伸试样在恒幅及单峰疲劳过载作用下裂纹尖端附近的残余应力场分布。同时,还采用弹塑性有限元方法模拟分析了相同疲劳载荷下裂纹尖端附近相应的残余应力场分布。相互验证表明:两种方法获得了基本吻合的结果。     

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。