基于Tanaka-Mura模型的电子束焊接头疲劳裂纹萌生模拟

为揭示高温合金电子束焊接头的疲劳特性,对其开展了疲劳裂纹萌生数值模拟研究。考虑焊缝区微观组织特性,对Voronoi图法进行改进,建立了焊缝区包含柱状晶、细等轴晶及粗等轴晶的混合晶区微观组织模型;对ABAQUS进行二次开发,考虑晶粒随机取向,生成晶粒多滑移带模型。基于Tanaka-Mura位错滑移模型,编写了疲劳裂纹萌生算法,考虑晶界处裂纹的连接与合并,对算法进行了改进,并结合有限元计算建立了电子束焊接头疲劳裂纹萌生数值模拟方法。基于上述方法对GH4169电子束焊接头不同载荷大小的疲劳裂纹萌生进行数值模拟,分析了裂纹萌生过程及萌生寿命,并与试验结果进行对比验证;还探讨了不同热影响区晶粒尺寸对焊接接头疲劳裂纹萌生的影响规律。结果表明,电子束焊接头疲劳裂纹均萌生于热影响区,但随着载荷水平的提高,萌生位置向熔合区一侧靠近;当热影响区晶粒尺寸与母材区晶粒尺寸越接近时,接头疲劳寿命越长。     

TC11钛合金微动疲劳裂纹萌生预测分析

针对航空发动机叶片与盘榫连接结构简化模型的微动失效形式,建立了基于临界平面法预测微动疲劳裂纹萌生的控制模型。该模型引入综合考虑多种微动疲劳影响因素的微动损伤参量CSE(微动综合损伤参量),建立了微动疲劳特性的分析流程,对微动疲劳裂纹的萌生方向、位置和寿命进行了估算。应用CSE控制模型,对失效的TC11钛合金微动疲劳试件的裂纹萌生进行预测,通过比较不同损伤参量的预测结果,验证了CSE预测裂纹萌生的有效性。     

基于晶体塑性理论的疲劳裂纹起始数值模拟

在疲劳荷载作用早期,材料在晶体尺度出现裂纹的萌生,为了研究疲劳短裂纹的发展,利用Monte Carlo法建立了多晶体晶粒集合的Voronoi有限元模型,并在Ansys Usermat子程序接口下编写了晶体塑性本构方程子程序,修正了以拉伸硬化为主的疲劳裂纹起裂的计算机模拟方法,并结合TANAKA和MURA的位错偶极子模型,模拟了晶粒集合在疲劳荷载作用下的裂纹萌生,最后与文献实验数据对比,这一修正的方法更加符合实验结果和宏观现象.     

变幅载荷对高温合金裂纹萌生及扩展寿命的影响

为了更好地分析航空发动机用高温合金裂纹萌生阶段的变幅载荷对高温材料的低周疲劳裂纹萌生及扩展寿命的影响,将低周疲劳的裂纹萌生过程视作损伤累积过程,基于连续损伤力学建立了低周疲劳损伤累积模型.结合室温下GQGH4169合金的裂纹扩展试验数据,通过有限元建模计算和数值分析方法确定了模型中具体的损伤参数数值,并对裂纹萌生寿命进行了预测.结果表明:该方法不但能准确地预测变幅加载下CT试样的裂纹萌生寿命,而且能很好地反映萌生阶段变幅载荷对裂纹扩展寿命的影响,而且降低了试验成本.     

基于金属磁记忆技术的18CrNi4A钢缺口试件疲劳损伤模型

对18CrNi4A钢缺口试件进行了疲劳试验和磁记忆检测,研究了磁信号在疲劳过程中的变化规律,基于连续损伤力学理论,采用磁信号特征参量作为损伤参量,提出了一种新的18CrNi4A钢缺口试件疲劳损伤模型。结果表明,在稳定循环阶段,磁信号随疲劳循环周次增加无显著改变,疲劳裂纹萌生后,磁信号逐渐增加,并在断裂后发生激变。磁信号特征参量绝对值在疲劳过程中表现为三阶段变化特征,随疲劳损伤程度的加剧而逐渐增加。磁信号特征参量绝对值与应力水平存在强烈的相关性,应力水平越大,其值越大。疲劳损伤试验结果与基于磁信号特征参量的疲劳损伤模型显示的疲劳损伤演变规律符合较好。     

基于材料微观特性的涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数值仿真

 为了研究材料微观特性对结构疲劳寿命的影响,根据Tanaka-Mura疲劳裂纹萌生寿命计算理论,模拟某镍基粉末合金涡轮盘喉道表面疲劳裂纹萌生寿命。利用泰森多边形生成法,模拟微观多晶结构,建立宏-细观模型相结合的三维仿真模型。实现3项关键技术:1)在三维模型中模拟了面心立方晶体中{111}面族的12条主滑移系;2)应用缺口根部裂纹萌生的Tanaka-Mura理论模型模拟一条微裂纹在另一条裂纹尖端萌生;3)模拟了微裂纹的起裂、扩展与联合过程,最终形成一条宏观裂纹。对某表面带刀痕涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数值仿真结果与真盘试验结果相差20%。研究表明,减小晶粒尺寸、降低表面粗糙度、形成表面压缩残余应变以及析出沉淀颗粒都有利于提高涡轮盘的疲劳裂纹萌生寿命。     

航空装备关键件微动疲劳寿命预测

通过微动疲劳损伤机理分析,以微动疲劳接触应力计算入手,建立了航空装备关键件中一种较为普遍的圆柱/平面接触微动疲劳结构的有限元全局模型和子模型,通过边界条件误差和离散误差分析,提高了计算精度和计算效率。以断裂力学为基础,根据复合型裂纹断裂判据,用改进的裂纹闭合积分法计算了裂纹尖端应力强度因子,引入应力强度因子影响系数,建立了微动疲劳裂纹扩展寿命预测模型,确定了模型中的参数,通过预测寿命与试验值的对比验证了该模型的正确、有效性。     

基于数字图像相关方法微裂纹萌生试验研究

为了进一步研究疲劳裂纹在萌生阶段的特点,本文结合数字图像相关方法 (Digital Image Correlation Method,DIC)设计并组建了配合液压疲劳试验机加载的原位观测系统。同时针对DIC测量方法中的关键技术进行研究,分别提出了一种可应用于视场宽度2mm下DIC计算的微小散斑制备方法,以及空间调节方法以提高试验可靠性。最后应用该系统开展针对航空发动机火焰筒材料GH536的微裂纹自然萌生试验。通过采取两种不同的DIC分析策略,分别获得疲劳过程中的总应变幅以及最大累积塑性应变的演化规律。结果表明总应变幅演化可确定自然萌生裂纹位置,最小可识别50μm裂纹;最大累积塑性应变分析可得萌生寿命占比约85%,并在裂纹出现后塑性应变急剧增加。     

玻璃纤维增强铝合金层合板疲劳性能试验研究

纤维增强金属层板兼具复合材料和金属材料的优点,是理想的民机结构备选材料.本文对玻璃纤维增强铝合金层合板在不同应力比下裂纹萌生及疲劳裂纹扩展性能进行了试验、测试和分析,获得了不同应力比及应力幅值对疲劳裂纹萌生和疲劳裂纹扩展的影响规律,给出了纤维增强铝合金层合板(FML)在疲劳载荷作用下疲劳特性,对此类材料的设计及应用有一定参考价值.     

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。     

ZSGH4169榫连接结构微动疲劳试验

针对航空发动机热端部件涡轮盘榫连接结构微动疲劳现象展开研究,开展了ZSGH4169镍基高温合金榫连接结构在不同温度和不同载荷下的微动疲劳试验。试验发现:在不同工况下,微动疲劳裂纹均产生在榫槽接触区的下缘,且两侧均有裂纹产生。榫连接结构微动疲劳寿命随着试验温度的升高,微动疲劳寿命显著降低;随着载荷的增加,微动疲劳寿命显著降低。温度和载荷都会对滑移幅值产生影响,且微动疲劳寿命随着滑移幅值的增加而降低。使用包含微动疲劳参数的高温微动疲劳寿命预测模型来对ZSGH4169微动疲劳试验进行验证,预测寿命均在2倍误差带内。      

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）。     

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。     

含腐蚀预损伤铝合金2024-T62的疲劳断裂行为及基于断裂力学的寿命预测

针对2024-T62铝合金薄板系统地开展了腐蚀预损伤对材料疲劳S-N曲线、小裂纹萌生行为、长短疲劳裂纹扩展及物理小裂纹门槛值扩展行为的影响等试验研究.结果表明:腐蚀预损伤对材料疲劳S-N曲线及材料疲劳小裂纹萌生行为有明显的影响,但时材料长短裂纹扩展及物理小裂纹门槛值扩展行为没有明显的影响.通过假定腐蚀预损伤为初始小裂纹...     

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。     

某型发动机机加火焰筒焊接修复技术研究

针对某型发动机机加火焰筒在工作中产生的裂纹、掉块等故障,从结构、材料、氩弧补焊修理工艺等方面进行了分析研究,并进行了冷热疲劳、应力、热拉伸等试验。结果表明,采用焊接修复技术降低了火焰筒报废率,提高了火焰筒的可靠性。     

三维钝裂纹的边界元模拟和剩余腐蚀疲劳寿命估算方法

提出了一个三维钝裂纹的计算模型,并建立了适用于这类模型的边界元法程序。还利用现有的疲劳裂纹扩展模型,对含三维钝裂纹构件的剩余疲劳寿命估算方法进行了讨论,并对三维钝裂纹在空气和海水中的扩展进行了计算。研究表明,本方法和边界元程序,既适用于三维尖裂纹的剩余寿命估算,也适用于三维钝裂纹的剩余疲劳寿命估算。     

镍基高温合金GH4169小裂纹早期扩展的原位疲劳试验

通过原位扫描电子显微镜(SEM)疲劳试验,研究了直接时效GH4169高温合金在室温下的疲劳小裂纹萌生和早期扩展过程.结果表明:在应力比R=0.1的拉-拉疲劳载荷作用下,疲劳小裂纹的萌生寿命仅为全寿命的20%左右.疲劳小裂纹起源于表面夹杂,以半椭圆表面裂纹形状扩展,扩展后期穿透试样一侧形成角裂纹,角裂纹迅速扩展导致试样断裂.疲劳小裂纹的早期扩展易受局部微观结构的影响,扩展速率分散性较大.      

2.25Cr-1Mo合金钢400℃下表面疲劳短裂纹群体演化行为研究及计算机模拟

 依据 2.2 5 Cr-1 Mo合金钢多种条件下表面疲劳短裂纹的实验分析结果,提出了一种表面随机分布短裂纹群体演化行为模型,模型计及了材料细观组织的障碍作用及裂纹相互之间的干涉效应。并用该模型对2.2 5 Cr-1 Mo材料表面疲劳短裂纹萌生、扩展及合体的全过程进行了数值模拟分析,结果表明短裂纹统计数据的模拟结果与实验结果基本一致。还对单条短裂纹行为进行了模拟分析。