细节结构抗疲劳品质分析方法探索

引言 细节疲劳额定强度法（即DFR法）是一种快速的细节疲劳评定方法，在飞机设计各阶段，设计人员都可借助它对细节结构进行疲劳评定。     

初始疲劳质量的一种简化模型

提出描述结构细节初始疲劳质量的简化模型。此模型只需一种应力水平下的耐久性试验结果和细节Ｓ－Ｎ曲线之指数值ｍ,即可描述初始疲劳质量,进行耐久性分析。用一套耐久性试验数据验证了简化简模型的可用性。最后,还给出了由裂纹尺寸和裂纹超过数概率定义的Ｓ－ｔ关系,使结构耐久性分析简单易行。     

涡轮盘结构概率设计体系的研究

 基于涡轮盘结构确定性设计流程,将概率设计理念融入设计过程中,发展了涡轮盘结构的概率设计流程,初步建立了涡轮盘结构的概率设计体系。以涡轮盘结构的传统设计流程为基础,提出涡轮盘结构的概率设计准则,并建立了涡轮盘的概率设计流程。以某型航空发动机涡轮盘低循环疲劳失效为例,按照文中建立的概率设计流程,将形状优化设计结果作为初始结构方案完成了涡轮盘的低循环疲劳概率设计。通过与原设计结果对比表明,按照概率设计观点进行涡轮盘的结构设计能够兼顾结构静强度性能和结构强度可靠性,在满足可靠度的前提下降低涡轮盘的质量,有效地提高其设计质量,初步验证了涡轮盘概率设计流程的有效性和可行性。     

飞机典型结构（紧固孔）原始疲劳质量研究

 本文介绍了一个定量地确定飞机结构细节（紧固孔）的原始疲劳质量的工程方法。用“当量初始缺陷尺寸分布”表征在一个或多个结构细节中真实初始缺陷的当量影响。用“使用裂纹扩展控制曲线”描述这一分布的扩展规律。用“裂纹超出量概率”定量地确定细节疲劳开裂的损伤度。这一工程方法原则上也适用于其它的结构细节,如几何不连续处、圆角及耳片等。本文编制了参数优化的计算机程序,并进行了大量试验研究,计算结果证实了这一工程方法的适用性、     

腐蚀条件下使用寿命评定的功能失效概率控制方法

 腐蚀环境会加速裂纹扩展、改变结构原始疲劳质量，为进行腐蚀条件下飞机结构经济寿命评定，采用腐蚀条件下概率断裂力学方法和裂纹萌生方法对结构细节裂纹超越概率进行分析，采用二项分布得到指定使用时间下飞机结构关键件、单机和机群的功能失效概率，提出了腐蚀条件下的耐久性分析的功能失效概率控制方法，并对某型飞机结构进行了腐蚀条件下的经济寿命评定。     

钛合金的原始疲劳质量研究

紧固孔结构细节的原始疲劳质量是飞机结构耐久性设计分析中最重要的内容之一。对钛合金TC4锻件紧硎孔结构细节的原始疲劳质量进行了研究。进行了钛合金锻件的耐久性试验,给出了原始疲劳质量的描述参数,即结构细节的当量初始裂纹尺寸（EIFS）。用这种描述参数,建立了相应的当量初始裂纹尺寸判据。并用所建立的判据对钛合金紧固孔结构细节的原始疲劳质量进行了评定,结果表明钛合金紧固孔结构细节的原始疲劳质量评定结果满足飞机结构的原始疲劳质量控制要求。     

一种多部位损伤全寿命分析的工程方法

提出了一种多部位损伤全寿命分析的工程方法,该方法包含3部分内容。对多裂纹萌生问题,通过研究多细节结构中裂纹萌生机理,将裂纹萌生寿命的取值事件转化为3个独立事件的积事件,前者的发生概率等于3个独立事件发生概率的乘积,3个独立事件的发生概率可由单细节结构裂纹萌生寿命的概率分布求得。从而可由单细节结构裂纹萌生寿命概率分布得到多细节结构中依次出现的各条裂纹的萌生寿命的概率分布。对多裂纹扩展问题,先通过有限元方法计算出多裂纹指定长度组合下的应力强度因子,然后引入响应面法,定量地建立了裂纹长度与应力强度因子之间的函数关系,由响应面模型得到多裂纹任意长度组合下的应力强度因子,最后采用循环接循环法进行裂纹扩展分析。对多裂纹结构失效分析,采用亚临界条件判断结构是否失效,认为结构上萌生的首条裂纹与第2条裂纹的位置相邻,裂纹发生首次连通时,结构失效。进行了单细节带孔板与多细节带孔板的裂纹萌生扩展试验,并对多细节带孔板的裂纹萌生扩展寿命和首次裂纹连通寿命进行了预测。预测结果和试验结果吻合良好,表明该方法是有效的。     

飞机结构可靠性分析数学模型

本文提出飞机结构可靠性分析的基本公式。在公式中,针对单危险部位结构,综合考虑了结构静强度,初始裂纹长度,疲劳裂纹的萌生、扩展与失稳,结构残余强度,载荷统计分布,裂纹检出概率、检查周期,意外损伤,事故讯息等因素。用此数学模型,可以定量地分析各种因素对可靠性的影响,并对飞机结构各种疲劳设计准则进行评价。     

应力比R为常数时细节疲劳额定值（DFR）与其它疲劳参数之间关系研究

为了满足概率疲劳分析的需要,推导出了应力比Ｒ等于常数时细节疲劳额定值（ＤＦＲ）与其它疲劳参数之间的解析表达式,从而使Ｓ－Ｎ曲线解析化。通过焊接件的疲劳试验和分析证明了其有效性和实用性。     

机翼用铝合金材料原始疲劳质量对比

当前航空工业的发展对于超高强铝合金材料的需求十分迫切,实现该材料的国产化并达到良好的质量效果至关重要。为了对中国航空工业中常用的7XXX新型铝合金材料的原始疲劳质量（IFQ）进行评估,选取裂纹萌生时间（TTCI）和当量初始缺陷尺寸（EIFS）作为对比参量,分别对中国飞机机翼用7XXX紧固孔试件和俄系BXXX紧固孔试件开展了低、中、高3种应力水平下的疲劳试验,通过对比分析得到了两种试件在不同应力水平下的TTCI趋于一致,最大仅相差3.71%;得到了每个试件的EIFS,应用疲劳统计学方法验证了两种试件材料各自的EIFS值无显著性差异;提出了一种不同超越概率下的结构细节当量初始缺陷模型,直接有效地对飞机结构细节的质量风险进行了评估;建立并对比分析了两种试件结构细节的通用EIFS分布,结果均小于中国军用手册规定的0.125 mm,且在超越概率为5%时,7XXX材料的通用EIFS值要小于BXXX材料的通用EIFS值。     

基于塑性应变能的中低周疲劳概率寿命模型

由于材料、尺寸以及载荷等的分散性,涡轮盘疲劳寿命存在较大的分散性。在充分考虑材料加卸载应力、应变及应力比对疲劳寿命影响的基础上,提出了一种适用于中低周疲劳的塑性应变能概率寿命模型。该模型在考虑材料、尺寸和载荷等导致寿命分散的因素的基础上,重点考虑了循环应力应变曲线的分散性,结合根据应力比的二次插值,获得了插值范围内任意应力比下的塑性应变能损伤参量与疲劳寿命的关系。运用所提概率寿命模型结合响应面法与蒙特卡洛法对某涡轮盘螺栓孔模拟试件进行了概率寿命分析。结果显示,模拟试件的计算结果与试验结果的中位寿命仅相差022%,寿命分散系数相差581%,说明本概率寿命模型概率寿命预估精度高。      

基于应变的结构疲劳寿命概率模型

对航空铝合金7050-T7451疲劳试验数据进行统计分析,得出其对数寿命的标准差与均值近似呈线性关系。在此基础上建立了高循环疲劳和低循环疲劳都适用的基于应变的疲劳寿命概率模型,进一步根据对数寿命均值的置信下限和标准差的置信上限给出了置信水平0.95的概率模型,并应用该模型进行了某航天器机械臂的疲劳可靠性分析,得到了其寿命分布及可靠度水平0.9987的臂管寿命。     

涡轮盘低循环疲劳寿命的概率分析

疲劳寿命呈现异方差特性,其标准差随弹性应变幅和塑性应变幅的减小而增大,因此在Man-son-Coffin公式中引入标准正态变量μ和线性标准差σ_e,σ_p,将ε-N曲线参数表示为标准正态变量μ的函数,建立了低循环疲劳寿命的概率模型.针对某涡轮盘材料,在低循环疲劳试验数据的基础上应用异方差回归分析方法获得了概率模型的参数,应用该模型对涡轮盘销钉孔的低循环疲劳寿命进行了Monte-Carlo数值模拟,获到了寿命的概率分布.得到可靠度0.998 7的概率寿命与轮盘技术寿命相一致,相对误差仅为4%.该模型参数均来自疲劳试验数据的统计分析,寿命预测精度高,具有较好的工程应用前景.      

复杂结构部件概率疲劳寿命预测方法与模型

针对多部位损伤(MSD)复杂结构部件的疲劳寿命预测问题,通过定义损伤临界值随机变量,分析、讨论了寿命概率分布、损伤概率分布、损伤临界值概率分布的属性及其之间的关系,研究了概率损伤累积原理,提出确定累积损伤临界值概率分布的方法,建立了概率累积损伤准则。基于多层次统计分析技术和系统层可靠性建模原理,构建了复杂结构部件的概率寿命预测模型;通过各关键部位的损伤累积和结构系统的失效概率计算,实现了复杂结构部件概率疲劳寿命预测,通过典型算例展示了方法及模型的应用。     

齿轮弯曲疲劳可靠度预测的计算方法

用一个新的基本观点-把齿轮弯曲疲劳失效处理成随机事件, 以这个随机事件为研究对象, 用齿轮弯曲疲劳的累积损伤强度K_w和总疲劳损伤量D_w来描述弯曲疲劳失效随机事件, 得出用概率描述的弯曲疲劳的疲劳累积损伤模型。用这个计算模型, 提出了计算齿轮弯曲疲劳可靠度的方法。      

压气机叶片疲劳可靠度及寿命的预测方法

提出在缺乏零件工作载荷谱时, 进行该零件疲劳可靠性设计计算的方法。用使用过一段时间后的零件进行疲劳试验, 根据这些试验数据统计出剩余疲劳损伤强度, 利用它确定该零件在工作寿命期间的总疲劳损伤量。然后用疲劳累积损伤可靠性模型进行零件疲劳可靠性设计计算。并以航空发动机压气机工作叶片为例, 说明如何使用剩余疲劳损伤强度预测叶片的可靠度或寿命。      

涡轮盘低循环疲劳的概率设计

基于涡轮盘结构的低循环疲劳设计流程,将概率设计理念融入设计过程中,提出了涡轮盘低循环疲劳的概率设计流程。首先进行涡轮盘结构的优化分析,其中以确定性设计准则作为约束条件;以优化结构方案为基础,考虑参数的随机性,对涡轮盘低循环疲劳进行可靠性分析;以低循环疲劳寿命的可靠度为概率设计准则,对涡轮盘进行反复的设计和计算验证,通过修改结构尺寸完成涡轮盘低循环疲劳的概率设计。同时,根据灵敏度分析结果,讨论了设计变量的分散性对涡轮盘寿命的影响,为进一步提高结构的可靠性提供了新的研究思路。结果表明,按照概率设计观点确定的涡轮盘结构兼顾性能和可靠性,在满足可靠度的前提下降低涡轮盘的重量。同时该概率设计流程简单方便,易于工程的推广应用。     

轮盘低周疲劳概率寿命预估模型

为了研究影响轮盘结构寿命预估精度的主要因素,提高模型预测精度,通过对三种材料应变概率寿命模型参数的异方差回归,对某航空发动机风扇盘榫槽部位疲劳寿命分布进行了数值模拟,得到了风扇盘榫槽部位的概率寿命。经与试验结果对比表明,考虑材料疲劳寿命异方差特性比按同方差处理更为合理。等效应变模型对疲劳寿命严重高估,第一主应变模型预测值与试验结果吻合较好。最大剪应变模型预测值介于以上两个模型之间,用峰值拉伸应力代替平均拉伸应力进行修正后最大剪应变模型预测值与试验值吻合良好。     

结构元件疲劳断裂可靠性分析的新方法

对近年来国内外在结构元件疲劳断裂可靠性分析的经典模型的简要综述基础上，结合新的数学分析方法，重点分析和讨论了元件疲劳断裂可靠性分析的新方法和新模型。包含脆性断裂和韧性断裂的随机有限元法模型、随机模糊混合可靠性模型、概率与非概率混合可靠性模型、基于遗传算法和神经网络的可靠性模型和应变疲劳可靠性模型。