局部应力应变法寿命预测应用研究

一、局部应力应变法寿命预测系统　　图 1所示为构件局部应力应变法寿命预测系统 ,适用于承受应变疲劳载荷的构件。基本图 1　低循环疲劳寿命预测体系上分为四部分 :分析预测 ;材料试验 ;部件试验 ;确定寿命。分析预测 上半部是通常的弹塑性应力分析。得到构件危险部位应力—应变谱后 ,即可进行 L CF寿命估算。材料试验 是将构件的应变历程施加到一组光滑圆柱试样上 ,在试验机上作控制应变的 L CF试验。所得寿命数据经统计处理 ,即可确定构件寿命。在进行构件 L CF试验的情况下 ,借助于材料数据确定的疲劳散度系数来间接确定构件的…     

修正的有效系数法

 提出了一种修正的有效系数法。该方法无需将真实载荷谱从绝对值最大的载荷处截断,即可进行构件危险部位的局部应力应变响应模拟,从而得到构件危险部位真实的局部应力应变响应和真实的局部应力 (或局部应变 )谱。用该方法分析了一个缺口试件在随机谱载下的裂纹形成寿命,结果比常规的有效系数和雨流法更接近试验结果。说明该方法比常规的有效系数法更加合理,也更具实用性。     

轮盘槽底低周疲劳寿命预测

航空构件要求重量轻,多半采用弹塑性设计,应力集中区域的材料通常是应变循环而不是应力循环,所以局部应变法已成为比较流行的一种寿命预测方法。本文采用了这种方法。鉴于试验更能真实地反映疲劳累积损伤的过程,所以本文除了用局部应变理论估算寿命之外,还利用光滑试样的疲劳试验预测了轮盘槽底的裂纹起始寿命。实践证明这种寿命预测方法比仅用计算公式估算寿命效果要好。对于中值寿命,轮盘和光滑试样的寿命之比仅为1.2倍。      

基于大变形蠕变分析的持久寿命预测方法

提出一种基于真应力真应变弹塑性蠕变本构模型和大变形有限元分析的高温构件持久寿命预测方法.该方法利用以真应力-真应变表示的材料高温拉伸应力-应变曲线建立材料的弹塑性模型,基于蠕变曲线建立蠕变本构模型,并采用大变形有限元方法计算高温构件在给定载荷下的变形响应曲线,根据其响应曲线的变化趋势来确定构件持久寿命.通过TC11钛合金缺口试件500℃下的持久试验对上述方法进行验证,并与三种基于小变形分析的持久寿命预测方法进行对比.结果表明:本工作提出的方法可以较准确地预测TC11缺口试件的高温蠕变响应和持久寿命,其预测精度优于基于关键点断裂应变、缺口净截面平均有效应力以及骨点应力的小变形有限元分析的寿命预测方法.     

局部应变疲劳分析方法及计算程序

本文介绍了局部应变疲劳分析方法,及用这种方法计算工程裂纹形成寿命的程序（程序从略）。这种程序的特点是:采用载荷增量、应力增量、应变增量三参数单元,一次完成从载荷-时间历程向局部应力、应变-时间历程的转变;并在转变的过程中计算每一应力、应变循环造成的损伤,最后给出寿命。通过实例计算表明,这种程序简单可靠,计算迅速,可用于缺口构件工程裂纹形成寿命的估算。     

某发动机燃烧室外套寿命预测

对某发动机燃烧室外套进行了弹塑性有限元分析和低循环疲劳寿命预测。在发动机飞行包线的最大气动载荷下。计算了5个比较易出问题安装座附近的应力和应变,根据材料的应变-寿命曲线估算了其低循环疲劳寿命。结果表明,燃烧室外套的局部孔口和焊缝位置是易出问题的区域。     

材料循环应力-应变行为及循环应变寿命的研究

材料的循环应力-应变行为以及循环应变与寿命的关系是材料的主要疲劳特性,用局部应力 -应变法计算构件疲劳裂纹形成寿命时要用到它们。使用这些疲劳特性的不同描述方法给寿命计算带来的误差差别很大。依据试验结果对目前的一些描述方法作出比较,并指出较为合理的选择。     

基于FRANC3D的飞机蒙皮谱载疲劳裂纹扩展分析

为了研究飞机蒙皮谱载疲劳裂纹扩展情况,建立含裂纹蒙皮有限元模型,利用FRANC3D裂纹分析软件计算蒙皮三维裂纹前缘应力强度因子,研究不同网格参数对计算结果的影响,并与解析解进行比较,确定裂纹前缘网格参数取值范围,然后对蒙皮表面裂纹在随机疲劳载荷谱下的裂纹扩展过程进行分析,得出裂纹扩展长度-载荷循环次数曲线,该曲线对于采用数学模型评估结构剩余寿命方面具有一定的参考价值。     

轴对称构件疲劳寿命预测的损伤力学-附加载荷-有限元法

 提出了一种实用有效的弹塑性损伤应力 -应变本构方程与损伤演化方程。针对中高周疲劳问题,发展了轴对称疲劳寿命预测的损伤力学 -附加载荷 -有限元法计算格式。通过引入塑性附加载荷,考虑了构件应力集中区域塑性变形对构件疲劳寿命的影响。预估了30 Cr Mn Si Ni2A材料含沟槽轴对称试件的疲劳裂纹形成寿命,并分析了疲劳裂纹的扩展情况。疲劳寿命理论预测结果与实验结果吻合良好。     

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。      

C-T曲线通用性分析和试验研究

提出了疲劳寿命预腐蚀影响系数曲线(C-T曲线)通用性分析的C值直接对比法和C-T曲线参数统计对比法,并进行相关试验研究,得到了C-T曲线和载荷谱、应力水平以及裂纹尺寸基本无关的结论。C-T曲线是进行腐蚀条件下飞机结构疲劳寿命评定和分析的基础,为验证分析C-T曲线和载荷谱、应力水平以及裂纹尺寸的相关性,从C的定义和分布规律出发,提出了C值直接对比法和C-T曲线参数统计对比法,近似谱、不同恒幅应力水平以及不同指定裂纹尺寸下的预腐蚀疲劳寿命数据均表明了C-T曲线基本具有通用性;并进行了某型飞机结构主梁模拟试件在随机谱及恒幅谱下的预腐蚀疲劳试验,试验结果同样验证了上述结论,从而说明了C-T曲线的通用性。     

求飞机结构真实腐蚀容限的原理和方法

本文通过静强度、疲劳强度和腐蚀3个学科的综合研究,分别给出飞机结构（下称机件）在静载荷作用下的应力与腐蚀损伤D的分布曲线和机件在疲劳载荷作用下的寿命与腐蚀损伤D的分布曲线。根据这两条曲线和机件使用的容限应力值及总疲劳寿命值,便可分别求出机件在静载荷作用下的腐蚀损伤容限值和机件在疲劳载荷作用下的腐蚀损伤容限值以及同一机件同时受静载荷和疲劳载荷作用的腐蚀损伤容限值。此外,本文提出了用一个腐蚀损伤容限值保证同一机件的总疲劳寿命和总日历寿命皆安全的方法,以及总疲劳寿命和总日历寿命的匹配设计和匹配使用等问题。研究结论适用于大气、海洋、土壤等环境的腐蚀机件,解决了国际机械和腐蚀领域一直未解决的一些难题。     

四参数疲劳定寿方法

对直升机传动系统采用的一种疲劳定寿方法——四参数法进行了研究:首先介绍了四参数应力-循环(S-N)曲线,然后详细介绍了通过材料平均 S-N 曲线获取构件安全 S-N 曲线的步骤以及直升机传动系统四参数疲劳定寿的程序和方法,研究了定寿流程中的各个技术细节.同时介绍了传动系统机匣疲劳试验中的多路协调加载技术以及某传动系统尾减机匣(TGB)的全尺寸疲劳试验情况.最后采用四参数疲劳定寿方法,根据某传动系统尾减机匣全尺寸疲劳试验结果和飞行实测载荷谱,对尾减机匣进行了安全寿命评估.该实例分析表明:四参数疲劳定寿方法为一种有效、可靠的寿命评估方法,具有推广价值.      

裂纹扩展寿命的类比计算法

 本文是本刊1982年第3卷第2期发表的“裂纹形成寿命的类比计算法”的后续篇。介绍一种机械设备零部件在裂纹扩展阶段寿命的类比计算法。用己知寿命的零部件类比计算出未知寿命零部件的寿命,它是建立在试验（或使用）基础上的,通过类比方法可以减少Miner公式中难以确定的常数值Q的影响,从而提高寿命计算的准确性和可靠性。     

寿命系数定寿的原理和方法

通过对疲劳载荷谱损伤值的研究,发现金属材料的疲劳寿命与疲劳试验载荷谱损伤值成线性关系,即金属材料的疲劳寿命随疲劳试验载荷谱的轻重成线性关系。由此规律推导出寿命系数,通过寿命系数可以降低全尺构件的疲劳试验时间。根据已有的疲劳试验数据研究的寿命系数值显示,在平均谱(疲劳损伤值为50%)基础上加重至58.33%损伤谱可降低全尺寸疲劳试验时间11%,75%损伤谱可降低36%,91.5%损伤谱可降低51%。由此得出:为了减少全尺疲劳试验时间,可以用加重载荷谱进行全尺寸疲劳试验,获得重谱下的寿命,再利用样件的寿命系数将其还原到平均谱下的平均寿命,然后用规范规定的疲劳分散系数除以平均寿命,给出使用寿命。这样既实现了减少疲劳试验时间的目的,又不违背规范规定的疲劳分散数值,使飞机定寿既经济又可靠。     

民用发动机附件风扇叶轮疲劳寿命数值分析

叶轮疲劳寿命是影响风扇寿命的关键因素,鉴于风扇叶轮低循环疲劳试验周期长、成本高,在叶轮结构前期设计时,对某型叶轮低循环疲劳寿命进行数值分析,根据仿真分析结果初步预估叶轮寿命,给后期的叶轮疲劳寿命试验提供一定参考依据。仿真主要通过对风扇流场、叶轮强度、疲劳及叶轮模态进行分析,得出风扇流场和结构气动载荷下分布云图、叶轮离心、气动、离心气动耦合载荷下应力云图及叶轮前六阶模态云图。结果表明：离心叶轮工作时受到主要载荷为高速旋转时离心载荷,气动载荷对叶轮结构的影响相对较小;在离心气动载荷耦合的情况下,叶轮在19 955 r/min工作转速下的vonMises等效应力及最大应力为21.25 MPa,远小于叶轮结构材料2A70 T6屈服强度204 MPa和疲劳强度102.6 MPa,评估出叶轮结构在整个寿命期内不会发生屈服失效、疲劳失效,能够满足60 000次低周循环疲劳寿命的要求。在静态分析基础上探讨了不同转速下叶轮的动态特性,并绘制叶轮模态特性随转速变化的Campbell图,给出共振风险点,为后续综合考虑动态、静态特性对叶轮疲劳寿命影响奠定基础。     

高速热流下薄壁结构声振响应分析及寿命预估

现代飞行器飞行过程中发动机薄壁结构受高速热流冲击面临着极为严酷的工作环境,使结构产生大挠度动力学响应以及疲劳损伤破坏现象。为获取难以实测的热流冲击下结构声振响应规律及疲劳破坏时间,采用耦合有限元/边界元的方法进行数值模拟分析与热声疲劳试验相结合的方法,根据载荷效果构建与试验件尺寸完全一致的数值仿真模型,对热声载荷下薄壁结构进行仿真计算。采用功率谱密度（PSD）法分析频率响应峰值随声载荷变化规律,并通过改进的雨流计数法对声振响应数据进行统计分析,得到疲劳寿命时间。并对比声振响应仿真计算结果与试验结果发现误差小于2%,验证了数值仿真的可靠性。在此基础上,对高速热流冲击作用下薄壁结构进行数值仿真分析,通过分析频率响应峰值随温度和流速的变化规律获取不同温度各流速下结构声振响应及疲劳寿命变化规律,并阐述造成这种变化的原因。本文完成的工作可对高速热流环境下薄壁结构响应分析和寿命预估提供参考依据。     

主起落架上转轴开裂原因分析

主起落架完成3倍目标寿命疲劳试验后,进行分解检查时发现上转轴的一个孔边缘及孔内壁出现了裂纹,该上转轴共经历了4倍目标寿命疲劳试验,材料为30CrMnSiNi2A超高强度钢。通过外观检查、残余应力测试、断口宏微观观察、能谱分析、金相检验、硬度测试和化学成分分析等方法,对上转轴的开裂原因进行了分析。采用疲劳断口定量分析方法反推上转轴的裂纹萌生寿命,并给出疲劳裂纹扩展速率与裂纹长度之间的关系曲线。结果表明：该上转轴裂纹的性质为高周疲劳开裂,其裂纹萌生于2倍目标寿命+5个加载谱块之前;上转轴开裂原因与轴孔安装过紧进而承受较大载荷谱应力、源区侧表面损伤和残余应力共同作用有关。通过加强装配过程控制、提高表面处理,上转轴已完成安全寿命试验（即7倍目标寿命）。     

基于频率雨流计数法的发动机振动疲劳载荷谱编制

传统雨流计数法适用于常规疲劳载荷计算,不能保留振动疲劳的频率信息,但是频率对于振动疲劳十分重要,因此在传统雨流计数法的基础上提出一种频率雨流计数法。以某型号发动机试车振动加速信号为例,采用振动疲劳载荷谱的编制方法,编制振动信号功率谱、载荷 - 频次载荷谱、振动疲劳载荷谱,对频率雨流计数法进行验证。结果表明:采用本文方法编制的载荷谱能够反映发动机实际工作载荷,满足实验室疲劳试验载荷谱要求。     

基于临界距离理论的TC4合金缺口试样 低循环疲劳寿命预测

对TC4合金缺口试样的临界距离和低循环疲劳寿命分别进行了分析和预测.研究了缺口临界距离与疲劳寿命、载荷比、应力集中系数的相关关系及其对寿命预测结果的影响.研究结果表明:TC4合金缺口试样的临界距离不仅与疲劳寿命有关,还与载荷比和应力集中系数相关.载荷比相同时,临界距离与疲劳寿命之间可采用幂函数经验公式来描述.载荷比为-1和0.1时,TC4合金缺口试样的临界距离-疲劳寿命曲线基本重合,当载荷比增大为0.5时,临界距离明显增大.载荷比和疲劳寿命相同时,临界距离与应力集中系数近似成反比关系.寿命预测结果表明:采用临界距离理论预测TC4合金缺口疲劳寿命时,要获得更准确的疲劳寿命预测结果,应同时考虑临界距离与疲劳寿命、载荷比以及应力集中系数等因素的相关性.