基于应变路径非比例度的多轴疲劳寿命预测

在分析多轴疲劳几种常用非比例度定义的基础上,提出了一种非比例度定义方法,进而以American Society of Mechanical Engineers(ASME) 规范案例中非比例加载多轴疲劳设计准则采用的应变参量作为基本损伤参量,发展了一种新的多轴疲劳寿命预测模型.结果表明:①所提出的非比例度定义可以描述任意已知轮廓的、非周期的、变幅的非比例加载路径;②与两种常用的多轴非比例加载疲劳寿命模型的预测结果对比可知,新的寿命预测模型对14种比例和非比例加载路径下304不锈钢材料的寿命预测与试验吻合更好,预测结果基本位于2倍分散带以内.      

考虑应力梯度影响的多轴缺口疲劳寿命预测

给出了几种典型拉-扭加载路径在新定义主坐标系下的π平面投影路径,并基于π平面投影路径提出了一种新的多轴疲劳损伤参量;考虑材料多轴加载的非比例附加强化效应,提出了一种非比例附加强化系数的预测方法和非比例度的定义方法;进一步考虑缺口试样多轴加载下的拉-扭应力梯度分布,结合有限元弹性分析的结果,提出了一种考虑多轴效应的等效应力梯度因子,从而发展了一种新的考虑应力梯度影响的多轴缺口疲劳寿命预测模型,并选用GH4169合金650℃下的多轴缺口疲劳试验结果对所提出的寿命模型进行验证。结果表明:①所提出的多轴疲劳损伤参量有明确的物理意义,不仅适用于多轴疲劳,也适用于单轴疲劳;②所提出的等效应力梯度因子仅需通过弹性有限元分析确定,适合工程实际应用;③新的寿命预测模型对GH4169材料多轴缺口疲劳试验的寿命预测结果较好,基本位于2倍分散带以内。      

玻璃纤维增强铝锂合金层板单峰过载疲劳寿命性能对比研究

为了研究铝锂合金、纤维金属层板(玻璃纤维增强铝锂合金2/1层板及3/2层板)材料不同加载下的疲劳寿命性能特点,对每种材料进行疲劳寿命试验。通过对每种材料试样施加不同循环特征的循环应力(恒幅循环应力(应力比R=0.06)、单峰拉伸过载、单峰压缩过载),共获得了9种应力-寿命试验数据。使用样本信息聚集原理,拟合出了各材料的P-S-N曲线。通过比较相同材料不同加载方式及相同加载方式不同材料下S-N曲线的差异,结果表明:拉伸过载下3种材料均表现出过载迟滞效应;压缩过载下合金材料表现出加速破坏效应,层板材料表现出一定的延迟效应;不同结构层板之间疲劳性能的优劣与其所受远程应力的大小有一定关系。     

平均应力对30CrMnSiA钢多轴疲劳失效的影响

对30CrMnSiA高强钢实心圆棒试件进行了存在平均应力及相位差下拉-扭复合加载的多轴高周疲劳试验,对不同平均应力及相位差下的试验数据、平面应力特点进行了分析和研究。试验结果表明,对于不存在平均应力的情况,随着相位差的增大,疲劳寿命逐渐增大。对于存在平均应力的情况,无论是平均拉伸应力还是平均切应力,随着相位差的增大,疲劳寿命逐渐减小。采用最大切应力幅平面上的切应力幅与最大正应力线性组合的准则进行寿命预测发现,对于某些试验情况,随着平均应力的增大,试验寿命与预测寿命变化规律相反。此外,通过测量试件初始起裂的角度并与最大切应力幅平面对比发现,多轴加载下的30CrMnSiA高强钢初始裂纹起裂方向接近最大切应力幅平面。最后通过应力分析说明了采用最大切应力幅平面上的切应力幅与最大正应力线性组合的准则存在的缺陷。      

考虑尺寸效应的缺口疲劳寿命预测方法

利用试样缺口根部归一化应力的分布规律，在考虑应力梯度的缺口疲劳寿命预测方法的基础上，着重考虑尺寸效应对缺口疲劳寿命的影响，构建了综合考虑平均应力、应力梯度和尺寸效应的缺口疲劳寿命预测方法.利用已有的TC4合金缺口疲劳试验数据对所发展的方法进行了验证，并与常用的几种局部应力应变法的寿命预测结果进行了对比分析.结果表明:所对比的几种局部应力应变法的寿命预测结果过于保守，而所发展的缺口疲劳寿命预测方法的预测结果几乎全在3倍分散带以内，且大多数预测结果在2倍分散带以内.      

双向应力状态下IC10高温合金的屈服行为研究

 为了研究Ni₃Al基金属间化合物IC10高温合金的屈服行为,对其进行了不同加载路径下的双向拉伸试验.试验采用十字形双向拉伸试验件在Zwick/Roell Z010双向拉伸试验机上进行,得到的最大等效应变为0.02.试验加载方向与材料塑性各向异性主轴重合,采用位移控制方法让两个夹头的加载速率比保持不变,得到不同线性加载路径下的应力-应变曲线.根据单位体积塑性功相等原理获得了IC10合金在双向拉伸应力状态下的屈服轨迹,并与目前常用的几种正交各向异性屈服准则及von Mises屈服准则预测结果进行了对比.结果表明,IC10合金的试验屈服轨迹呈外凸性,以双向等拉线为界的上下部分屈服轨迹不对称,显示出明显的塑性各向异性.各向同性von Mises 屈服准则只包含一个材料常数,无法描述IC10合金的塑性各向异性行为;Hill 二次式屈服准则在双向等拉应力状态附近低估了材料的屈服强度;Logan &; Hosford屈服准则在从双向等拉到横向单拉的应力状态下都低估了材料的屈服强度,与试验结果相差较大.Banabic-Balan屈服准则和Barlat (1989) 屈服准则的预测值与试验结果吻合很好,能很好地描述IC10合金在双向应力状态下的屈服行为.     

多位损伤铝合金平板剩余强度分析

针对飞机铝合金结构出现的多位损伤(MSD)问题,本文开展了含多位损伤铝合金平板试样的剩余强度试验研究.采用工程常用的8种不同剩余强度准则对MSD试样的剩余强度进行预测,并与试验结果进行对比,以评价各项预测准则的准确性.研究显示,对于本试验选用的材料和试样形式,Swift准则和平均应力准则相比其他准则取得了较好的预测效果...     

缺口半径对疲劳寿命影响的有限元分析

针对Mod.9Cr-1Mo铁素体钢缺口件进行了非比例应变路径低周疲劳试验,采用直流电位差法测量裂纹萌生寿命,比较了缺口半径和应变路径对疲劳裂纹萌生寿命的影响.试验结果表明:缺口件裂纹萌生寿命占疲劳寿命的比例与应变路径和缺口半径相关.采用ANSYS软件进行模拟计算,材料弹塑性特性采用von Mises屈服准则、多线性运动硬化律和单轴循环应力应变曲线描述.模拟结果表明:各应变路径下缺口根部处产生了明显的应力集中,等效应力最大值均发生在缺口根部处,随着离缺口根部距离的增加,应力随之而降低.但不同缺口半径下,离缺口根部不同距离处的应力梯度变化趋势随应变路径不同而不同.基于模拟结果,采用Smith-Watson-Topper(SWT)模型进行疲劳寿命预测.结果表明SWT模型针对大缺口半径的预测结果较好,大部分点位于2倍分散带内,但针对小缺口半径预测结果普遍偏低.      

总应变寿命方程中疲劳参数的确定和寿命预测

总结分析了多种寿命预测方法,给出了总应变寿命方程的4个材料参数:疲劳强度系数、疲劳延性系数、疲劳强度指数和疲劳延性指数的表达形式,从而提出了一种新的具有很好物理意义、工程意义和普适性的总应变寿命方程,并以6种典型的航空材料光滑试样(TC4(室温)、TC11(室温)、TC11(500℃)、GH901(300℃)、GH901(500℃)和GH4133B(600℃))的对称循环疲劳数据进行验证,获得了很好的疲劳寿命预测结果,其寿命预测结果大都在2倍分散带以内。对比分析了多种寿命预测方法所确定的4个疲劳参数,并且分析了5种断裂真应力表达形式所确定的疲劳强度系数,发现所提出确定断裂真应力的方法获得了较好的精度,与试验值相比,不超过其误差的15%,并且准确确定断裂真应力将会显著提高对中高寿命段的寿命预测精度。      

典型缺口件疲劳寿命分析方法

通过对典型缺口件疲劳寿命分析方法进行系统的回顾,按照疲劳缺口效应描述参数的不同将缺口件疲劳分析方法划分为3类:局部应力应变法、应力梯度法和临界域法.结合4种不同缺口几何下的LY12CZ铝合金缺口件的低周疲劳试验数据,对上述3类方法进行的验证对比可以发现:考虑了应力梯度和应力场分布的方法(如临界域法和应力梯度法)对缺口件疲劳寿命的预测结果与试验结果吻合较好而局部应力应变法预测精度较差,其中应力场强法还能够正确地预测疲劳破坏位置.      

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。     

Residual stress indentation model based on material equivalence

A novel residual stress indentation model for conical indentation loading is proposed to describe the relationship between the residual stress, material constitutive parameters, load, and displacement for materials with a uniaxial constitutive relationship that obeys Hollomon’s power law (H-law). The novel model was established based on the principle that the equivalent material without residual stress corresponds to the original material with residual stress, conical indentation theoretical model based on energy density equivalence, and an assumed power-law relationship between the dimensionless residual stress and relative difference of the yield stresses of the equivalent material and original material. Sixty imaginary H-law materials with ten equibiaxial and ten uniaxial residual stresses were investigated by Finite Element Analysis (FEA). The residual stresses predicted by the novel model from the indentation load–displacement curves simulated for the imaginary materials are in close agreement with those applied by the FEA. Finally, indentation tests for Cr12MoV steel, 45 steel, and 6061-T6511 aluminum alloy were carried out on their specimens without residual stress and their bending specimens with equibiaxial and uniaxial residual stresses. The residual stresses predicted by the novel model according to the indentation load–displacement test curves are in good agreement with those applied by the tests.     

一次预过载对铝合金喷丸前后缺口疲劳强度的影响

预过载拉伸可提高铝合金缺口疲劳寿命,但效果不及喷丸;过载量太大还使寿寿命趋于子下降。预过载压缩降低缺口疲劳寿命;喷丸后经过载压缩,寿命降低幅度更大,均与缺口残余应力及亚结构变化有关。     

非耦合韧性断裂准则及其在航空金属材料中的应用

结构轻量化是航空航天和汽车领域的重要发展趋势,对以铝合金、镁合金和钛合金为代表的轻质高强金属材料的需求与日俱增。预测材料的损伤断裂行为是高性能航空构件成形工艺设计和服役性能评估的关键,而发展先进的韧性断裂准则是其主要途径。本文首先介绍了金属材料损伤断裂的微观机制,包括剪切和压缩应力主导的剪切型断裂、拉应力主导的拉伸型断裂及复合型断裂。回顾了韧性断裂准则的研究现状,传统非耦合韧性断裂准则的发展历程、特点和适用场合,重点论述了近年来几种典型的非耦合韧性断裂准则的特点和优势。传统的非耦合韧性断裂准则通常只考虑最大主应力或平均应力对损伤断裂的影响,忽略了偏应力的作用,不适合于低应力三轴度或复杂应力状态下的断裂行为预测;而新的韧性断裂准则综合考虑应力三轴度和罗德角参数对损伤演化的共同影响,适用于复杂的应变路径和应力状态。最后,评述了非耦合韧性断裂准则在铝合金、镁合金和钛合金等航空金属材料中的发展现状和典型应用,展望了韧性断裂准则的发展趋势和研究方向。非耦合韧性断裂准则需针对先进结构金属材料的变形特点,综合考虑应力状态、应变速率、温度及各向异性等对损伤断裂的作用,使其具有更好的普适性和预测精度。     

复杂载荷下疲劳寿命估算

 本文给出了LY12CZ铝合金板材的循环硬化规律;以材料在循环载荷作用下累积的塑性滞后能作为疲劳损伤准则,证明了应力控制等幅循环加载条件下损伤累积随循环次数变化的非线性,导出了材料瞬态塑性应变能的计算公式,算出了破坏发生时材料耗散的总塑性应变能,并给出了它与应力变程的关系。文中把疲劳损伤分为静拉伸损伤与循环损伤两部分,给出了损伤累积模型。以该模型为基础,计算了两级加载、4级加载和程序加载下光滑试件的疲劳寿命。计算结果与试验结果符合很好。     

屈服强度与裂纹形成寿命的关系

 一般认为材料的疲劳损伤和裂纹形成是由循环局部塑性应变引起的。因此,提高材料对微量塑性变形的抗力（为屈服强度、比例极限）,将有利于提高其疲劳形成门槛值,延长裂纹形成寿命,从而延长疲劳总寿命。然而,材料的微量塑性变形抗力对疲劳性能的影响,仍未予以足够的重视。所以在一些单位的产品设计和生产检验中,似未规定对屈服强度的明确要求。     

多轴随机载荷下的疲劳寿命估算方法

提出了一种多轴随机载荷下的疲劳寿命预测方法.通过雨流计数法对各平面上的剪应变进行循环计数,以统计出的剪应变循环作为多轴疲劳损伤的主要控制参数,将各剪应变循环历程内对应的最大正应力和正应变变程作为多轴疲劳损伤的第二控制参数.根据多轴疲劳寿命模型计算出各平面上的损伤,以最大损伤平面作为多轴随机疲劳的临界平面,通过该临界平面上的损伤计算出多轴随机载荷下的疲劳寿命.采用SNCM630钢,304不锈钢和S45C钢3种金属材料的多轴随机疲劳试验数据对提出的寿命预测方法进行评估和验证.结果表明:疲劳寿命预测结果大都分布在试验结果的2倍分散带之内.     

铁磁试件应变损伤微结构蜕变的灵敏微分磁导率评价

为了精确检测和早期评价铁磁试件的应力集中状况和疲劳损伤程度,对灵敏微分磁导率检测技术进行了理论分析和试验研究。探讨了灵敏微分磁导率检测技术的基本原理和基本特征,研制搭建了灵敏微分磁导率检测的试验平台,对部分碳素钢结构材料的灵敏微分磁导率进行了测量,并采用测量低场磁化曲线的方法对碳素钢材料的灵敏微分磁导率进行了测量验证。理论证明了检测信号与微分磁导率成正比,试验发现20钢、35钢和235钢的灵敏微分磁导率即初始微分磁导率,并与振动样品磁强计低场磁化曲线的测量结果一致。对20钢,当拉应力接近断裂强度时,灵敏微分磁导率的变化量可达30%;对45钢,当拉应力接近断裂强度时,灵敏微分磁导率的变化量可达35%。可见,灵敏微分磁导率检测技术是一种新的高精度测量应力分布的检测方法,具有广阔的应用前景。