非比例加载下GH4169高温多轴疲劳行为研究

利用薄壁管拉扭疲劳试样, 在高温控制应变循环加载下研究高温合金GH4169的多轴疲劳行为.高温多轴疲劳试验采用比例与非比例加载路径.在试验过程中,利用数据采集系统全程记录拉与扭的应力响应值以研究比例与非比例拉扭加载下的循环特性.研究结果表明,高温拉扭非比例加载下,疲劳寿命有明显降低;拉与扭应力响应多为循环软化,无明显的循环稳定现象.在低频加载下,由于高温蠕变效应加大,使循环软化速度加快,表现为曲线下降明显.在整个疲劳过程中,扭转应力响应分量均显示循环软化现象,而拉压应力响应分量的硬化与软化特性取决于应变加载参数.     

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.      

基于临界面-损伤参量法的高压涡轮盘多轴疲劳寿命预测

基于临界面法对某高压涡轮（HPT）盘及GH4169合金试样进行多轴疲劳寿命预测,得出SWT（Smith-Watson-Topper）模型对单轴疲劳具有较好的预测效果而对多轴疲劳的预测效果较差,Fatemi-Socie （FS）模型也能较好地预测单轴加载下的疲劳寿命,但FS模型仅考虑最大剪应变幅平面上的正应力对疲劳损伤的影响,导致其多轴疲劳寿命预测偏保守。基于此,本文以最大剪应变幅为主要损伤控制参数,同时以最大剪应变幅平面上的正应力和正应变组成的修正参数作为多轴疲劳损伤的第二控制参数,提出了一个新的多轴疲劳临界面-损伤参量模型。结合GH4169合金及某高压涡轮盘试验验证。结果表明,对比SWT、FS和Wang-Brown （WB）模型,新模型的多轴疲劳寿命预测精度更高。     

基于最大损伤临界平面多轴疲劳寿命预测方法

基于临界平面法,提出一种多轴疲劳损伤参量和多轴寿命预测模型,与传统损伤参量以最大剪应变变程平面为临界平面不同,该损伤参量以最大损伤平面为临界平面,考虑最大剪应变变程,作用在最大剪应变变程平面上的法向应变变程和最大法向应力对疲劳裂纹萌生与扩展的综合作用,更好地反映非比例加载产生的循环附加强化导致疲劳寿命减小的现象,并且该损伤参量不含经验常数,不需进行平均应力修正,适于工程应用.经3种材料试样多轴疲劳试验验证,该模型预测结果较好.使用该损伤参量对某型发动机涡轮盘传动臂销钉孔寿命进行预测进一步证明以最大损伤平面为临界平面的损伤参量的工程适用性.      

考虑应力比修正的应力梯度影响指数计算方法

基于考虑应力梯度的寿命预测模型,深入研究了不同应力比对应力梯度影响指数的影响。通过引入新的参数,对模型进行修正,并以典型合金的试验数据为基础,进行寿命预测并考核计算精度。结果表明:修正后的模型能够更合理地考虑局部应力比对应力梯度影响指数的影响,寿命预测结果相比于修正前更接近试验值,对TC4(200 ℃)、GH4169(500、650 ℃)缺口试件的疲劳寿命预测结果多在2.0倍分散带以内,部分数据的预测结果可在1.5倍分散带以内。      

缺口件疲劳寿命预测新方法

采用有限元方法针对缺口件多轴疲劳实验结果进行模拟。结果表明,相同路径条件下,随着缺口半径减小缺口根部附近的应力梯度显著增加。基于缺口根部应变值,采用等效应变法进行疲劳寿命预测,预测结果随缺口半径的减小而偏于保守。采用应力梯度法确定有效距离,相同路径下,随着缺口半径的减小有效距离减小;依据该有效距离处的等效应变进行疲劳寿命预测,总体预测结果较为分散且偏于不安全。基于实验及有限元模拟结果,提出了基于应变梯度的有效距离确定的新方法,大部分疲劳寿命预测结果位于2倍分散带内。     

考虑应力梯度的轮盘疲劳寿命预测

考虑应力梯度和尺寸效应对寿命的影响,通过引入应力梯度影响因子,将缺口试件与光滑试件的疲劳寿命相关联,建立了基于Walker平均应力修正的缺口试件寿命预测模型,进而结合三维弹性有限元分析对发动机涡轮盘进行了寿命预测.结果表明:所发展的寿命模型能较好地反映影响疲劳寿命的多种因素,尤其是应力集中对试件疲劳寿命的影响,综合考虑平均应力、应力梯度和尺寸效应的轮盘寿命预测结果更接近试验值,对GH901标准试件和轮盘的疲劳寿命预测结果都在2倍分散带以内.      

基于临界面法的多轴疲劳损伤参量的研究

以薄壁管拉扭疲劳试件为研究对象,在分析多轴损伤临界面上的应力与应变变化特性的基础上,根据多轴疲劳临界损伤平面原理,利用多轴临界面上的剪切应变幅与相邻两个最大剪切应变值γｍａｘ之间的法向应变幅ε＊ｎ作为形成多轴疲劳损伤参量的主要参数,提出基于拉伸和剪切两种形式的多轴疲劳损伤参量。所提出的多轴疲劳损伤参量不含有任何材料常数,并可同时适用与多轴比例与非比例加载情况,且可退化成单轴的形式。     

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.      

LY12铝合金的拉扭复合加载疲劳

对LY12铝合金的拉扭复合加载疲劳性能进行了研究,并用扫描电镜对疲劳试样的断口进行了观察.试验选用单轴轴向、0°同相拉扭复合、45°非同相拉扭复合、90°非同相拉扭复合和纯扭转五种加载路径,并使试样在不同加载路径下的最大等效应变值相等.结果表明,LY12铝合金试样在五种加载条件下,均出现循环硬化和饱和现象.LY12铝合金试样在纯扭转加载时的寿命最长,在90°非同相拉扭复合加载时的寿命最短.用Wang-Brown模型的损伤参量,可以较好解释不同加载条件的疲劳寿命差异.单轴轴向加载和0°同相拉扭复合加载试样的断口均出现疲劳条纹,纯扭转加载和90°非同相拉扭复合加载断口形貌以裂纹面间相互摩擦的痕迹为主.     

考虑应力梯度的缺口疲劳寿命预测方法

基于试样缺口根部区域应力分布规律,综合考虑了平均应力、应力梯度及尺寸效应的影响,发展了一种考虑梯度影响的缺口疲劳寿命预测方法.以TC4合金材料含两种形式缺口的试样为例,计算得到了缺口应力梯度影响因子和尺寸效应影响因子,并进行了疲劳寿命预测.寿命预测结果表明:引入缺口局部平均应力、应力梯度影响因子和尺寸效应影响因子可以较为全面地考虑缺口对试样疲劳寿命的影响,基于所发展的缺口疲劳寿命预测方法给出的TC4合金缺口试样疲劳寿命预测结果在2倍分散带以内.      

涡轮叶片高温多轴低周疲劳/蠕变寿命研究

针对航空发动机涡轮转子叶片工作环境,对Manson-Coffin多轴疲劳预测方程和SWT(Smith-Waston-Topper)公式进行修正,同时采用尚德广多轴疲劳损伤参量,给出涡轮叶片新的疲劳寿命预测方法,以适应涡轮叶片高温变幅非比例加载下疲劳损伤情况.通过算例计算了某涡轮叶片疲劳寿命及1000 h的总损伤,与叶片实际疲劳破坏相吻合,验证该高温多轴疲劳损伤计算模型的合理性和可行性.      

比例与非比例加载下30CrMnSiA钢多轴高周疲劳失效分析

为了分析比例与非比例加载下,30CrMnSiA钢的多轴高周疲劳的失效规律。通过对30CrMnSiA钢材料开展比例与非比例(δ=90°)加载下的多轴高周疲劳试验,研究了应力幅比和相位差对疲劳寿命、断口特征及裂纹起裂角度的影响。试验结果表明,对于比例与非比例加载,随着应力幅比的增大,多轴疲劳寿命逐渐增加。对疲劳断口分析发现,裂纹萌生于试件表面,断口有明显的疲劳源区、扩展区和瞬断区,不同加载路径下的试件断口形式有明显差异。通过对起裂角度的分析发现,应力幅比大于0.25时表面裂纹有明显的第Ⅰ阶段向第Ⅱ阶段的转变,且第Ⅰ阶段沿着接近最大剪应力幅值平面方向扩展,第Ⅱ阶段沿着接近最大正应力平面方向扩展。此外,对典型试件的疲劳断口及表面扩展路径进行了分析,研究表明多轴疲劳试验试件裂纹的特征比值在0.3~0.5之间,且裂纹沿深度方向扩展至300 μm时占总寿命的85%以上。