考虑应力松弛的缺口疲劳寿命预测方法

为了能够快速准确获得循环载荷条件下缺口局部应力应变并用于缺口疲劳寿命预测,基于粘塑性本构方程及光滑试样循环应力应变试验结果,发展了一种应力应变简化计算方法,采用该方法计算得到的光滑试样循环应力应变结果与试验结果的误差在5%以内,并将该方法结合寿命预测方程采用迭代的方式用于粉末高温合金FGH97单边圆形缺口试样疲劳寿命预测。结果表明:所发展的方法充分考虑了FGH97合金单边圆形缺口试样缺口根部区域的应力松弛,取得了较好的寿命预测结果,其分散带基本在2倍以内。     

纤维复合材料的形变功密度断裂准则

通过单边缺口、中心裂纹和中心圆孔碳/环氧和玻璃/环氧复合材料层合板试样的试验证实,在考虑了材料的各向异性后,把各向同性材料的J积分分析结果用于确定复合材料层合板的断裂过程区特征长度d₀是适宜的。 根据碳/环氧复合材料层合板的有限元分析结果和试验观察,提出了一个新的断裂准则 σ_y（d0,0）ε_y（d0,0）=ασ_Fε_F 称为形变功密度断裂准则。这个准则已得到试验验证。使用本文方法可以得出不随试样几何形状和应力分布而变化的特征长度。     

FGH97缺口试样基于黏塑性本构的弹塑性响应分析

针对缺口试样在高温条件下局部区域应力应变难于测量的问题,基于光滑试样材料力学性能试验,优化得到550℃粉末高温合金FGH97的Chaboche黏塑性统一本构方程参数,并将其应用到FGH97缺口试样单调拉伸及循环加载弹塑性有限元分析中.研究结果表明:①缺口局部区域进入塑性后其应力分布与弹性条件明显不同,随应力增大,最大应力位置向内移动;②在循环载荷条件下,随着循环数的增加,缺口平分线上应力/应变范围变化不大,缺口根部塑性区域出现明显平均应力松弛,并逐渐趋于稳定,导致缺口根部循环载荷比不同于外部施加载荷;③缺口根部塑性区域逐渐增大,但增大的幅度逐渐降低.该研究可为进一步分析缺口构件疲劳寿命影响因素提供支持.      

2D-C/SiC缺口试样的拉伸行为

研究了具有双边对称圆弧缺口（试样厚3 mm宽4 mm,缺口半径2 mm,缺口深0.6 mm）的二维正交编织C/SiC试样在室温空气中与高温真空下拉伸行;测量了拉伸过程中的应力、应变、初始模量和电阻;并用SEM观察断口.结果表明,2D-C/SiC材料除室温下缺口试样的拉伸强度低于光滑试样外,高温下两者基本相当,两者都随温度的升高变化也基本一致.高温下缺口试样拉伸强度与光滑试样相当说明,该材料对应力集中不敏感;室温时对应力集中敏感.缺口试样的断裂应变要远小于光滑试样的断裂应变.2D-C/SiC材料缺口试样基体裂纹开裂应力随着试验温度的上升逐渐增加.缺口试样的相当模量高于同一温度下光滑试样的弹性模量,两者都随着试验温度上升而增加,在1 100℃达最大值,然后开始下降.电阻表征的损伤大体上随载荷增加而增加,1 300℃和1 500℃条件下,较小载荷范围内有下降现象.从室温到1 500℃,所有断口中与载荷方向垂直的纤维束断裂面平整,平行于载荷方向的纤维束断面参差不齐.2D-C/SiC复合材料总体上仍属于脆性断裂,局部上有纤维或纤维束内小的纤维集团拔出,吸收了较多的能量,存在增韧机制.     

小孔对DD6单晶热机械疲劳的影响

通过开展同相（IP）和反相（OP）循环下DD6单晶带孔试样与光滑试样的机械应变控制热机械疲劳（TMF）试验,研究孔边应力集中与温度-应变相位角对裂纹萌生寿命的影响。结果表明:带孔试样裂纹萌生于孔边最大主应力位置,其寿命比相同名义载荷的光滑试样低约一个数量级;带孔试样的OP寿命均短于IP,这与光滑试样寿命趋势一致。结合基于滑移系的黏塑性数值模拟,获取不同试验条件下的单晶应力应变分布特征及其演化规律,并构建单晶TMF损伤与宏细观参量的关联。在此基础上,建立一种能够综合考虑应力集中与相位角影响的单晶TMF寿命模型,对光滑试样与带孔试样IP、OP TMF寿命预测结果基本落在试验寿命的2倍分散带内。      

孔边裂纹塑性应变疲劳扩展试验研究

简介了循环J积分ΔJ*path体系,以16MnR钢单边椭圆孔边裂纹试件进行了6种循环应力比的恒幅应变疲劳裂纹扩展试验,采用材料应变疲劳循环加载条件下的应力-应变关系,通过弹塑性有限元素法计算ΔJ*path参量,研究了孔边高应变区裂纹塑性应变疲劳扩展规律。结果表明：ΔJ*path能够作为缺口高应变区裂纹塑性应变疲劳扩展的控制参量,与裂纹扩展速率da/dN之间的指数关系,可通过相同材料的标准试件应力疲劳裂纹扩展由Paris公式与ΔJ*path=ΔK2/E转换得到。     

盘用材料缺口特征尺寸对缺口强度的影响

现代航空发动机轮盘工况复杂,常常在榫槽、通气孔、螺栓孔等几何不连续处遭受破坏。这些几何不连续性特征可以视为广义的缺口,为了分析缺口附近几何特征尺寸对航空发动机轮盘复杂结构件抗拉强度的影响规律,基于典型盘用合金GH4169设计了双边缺口平板试样、双边不等缺口平板试样、不等厚双边缺口平板试样以及不等厚双边不等缺口平板试样进行试验研究。试验结果表明:缺口平板试样的应力集中系数与缺口抗拉强度存在一定的相关性,缺口抗拉强度无量纲化常数与应力集中系数的试验数据点存在一定的分布规律,二者的拟合曲线能很好地描述试验结果分布规律。包括GH4169、GH738和TC11合金等常用航空塑性金属材料在内的缺口平板试验数据点落在拟合曲线±10%以内的分散带内。     

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.      

表面完整性对FGH95合金高温疲劳性能的影响

金属构件的加工表面完整性状态对其整体疲劳性能具有显著影响。本工作研究了磨削、磨削+铸钢丸喷丸、磨削+陶瓷丸喷丸和磨削+复合喷丸4种表面加工集成方法对FGH95合金高周疲劳性能的影响规律。采用表面粗糙度仪、X射线残余应力测试仪和显微硬度计分别对不同复合加工方法试样的表面粗糙度、表面残余应力分布和硬度梯度等表面完整性参数进行了表征;采用旋转弯曲疲劳试验机测试了缺口(应力集中系数Kt=1.7)试样的旋转弯曲疲劳,研究不同表面完整性状态对缺口试样高温疲劳寿命的影响规律。结果表明:相对磨削,磨削+铸钢丸喷丸、磨削+陶瓷丸喷丸和磨削+复合喷丸三种方法均可显著提高试样的高温疲劳寿命;其中,磨削+复合喷丸方法获得了最优的表面残余应力场、硬度梯度、表面粗糙度和高温疲劳寿命增益效果。     

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.      

A physically-based representative stress methodology for predicting stress rupture life of Ni-based DS superalloy

Smooth and three types of U-shape single-edge notched plate specimens adopted to experimentally investigate stress rupture behavior of Ni-based Directionally Solidified (DS) superalloy at 850 °C exhibit notch weakening effect and multi-source cracking initiation near the notch root. However, stress rupture behavior of smooth and V-shape notched round bars at 1040 °C revealed by Li et al indicates notch strengthening effect and creep micro-holes originating mostly from the central portion. A combined creep-viscoplastic constitutive model is employed to analyze the distribution of stress, strain and stress Triaxial Factor (TF) near the notch root. The different stress distribution and creep restraint between asymmetric notched plate specimens and symmetric notched round bars are the main reasons for the corresponding failure mechanism. Meanwhile, a good qualitative relationship exists between TF value and stress rupture life of notched specimen. Especially, the area with maximum TF value (TF_max) is highly consistent with creep damage initiation region. Hence, based on the distribution characteristics of the initial tensile loading, a representative stress method independent of time -changing creep load at the location of TF_max is conducted for life prediction. The predicted results of both smooth and notched plate specimens and round bars agrees well with the experimental results.     

2D-C/SiC复合材料开孔试件拉伸特性和失效分析

通过对2D-C/SiC复合材料4mm和6mm开孔试件进行拉伸试验,研究了开孔试件的拉伸特性和失效模式,与标准试件拉伸试验结果比较获得了开孔尺寸对试件强度的影响。相比于标准拉伸试件,4mm和6mm开孔试件的拉伸强度分别减小了1.0%和6.6%。通过在开孔试件不同位置粘贴应变片,获得了试件在拉伸过程中最小净截面上的应变变化规律,直观地体现了试件拉伸过程中的应变集中现象,并通过有限元对开孔试件的应变分布进行模拟,模拟结果与试验值吻合较好;通过在试件表面粘贴声发射探头,获得了拉伸过程中试件材料的损伤参量变化规律,反映了试件的宏观损伤演化规律,并结合试件断口照片分析了开孔试件的失效行为。     

Stress analysis and damage evolution in individual plies of notched composite laminates subjected to in-plane loads

This work aims to investigate local stress distribution, damage evolution and failure of notched composite laminates under in-plane loads. An analytic method containing uniformed boundary equations using a complex variable approach is developed to present layer-by-layer stresses around the notch. The uniformed boundary equations established in series together with conformal mapping functions are capable of dealing with irregular boundary issues around the notch and at infinity. Stress results are employed to evaluate the damage initiation and propagation of notched composites by progressive damage analysis(PDA). A user-defined subroutine is developed in the finite element(FE) model based on coupling theories for mixed failure criteria and damage mechanics to efficiently investigate damage evolution as well as failure modes. Carbon/epoxy laminates with a stacking sequence of [45°/0°/ 60°/90°]sare used to investigate surface strains, in-plane load capacity and microstructure of failure zones to provide analytic and FE methods with strong validation. Good agreement is observed between the analytic method, the FE model and experiments in terms of the stress(strain) distributions, damage evaluation and ultimate strength, and the layerby-layer stress components vary according to a combination effect of fiber orientation and loading type, causing diverse failure modes in individuals.     

Tear Resistance of Orthogonal Kevlar-PWF-reinforced TPU Film

This work seeks to investigate the notch sensitivity and fracture behaviour of orthogonal Kevlar-plain woven fabric (PWF)-reinforced thermoplastic polyurethanes (TPU) film applied to high altitude balloon. Four types of specimens are implemented to measure notched strength and fracture toughness by conducting static tension and tear tests on an MTS system respectively. The damage and failure mechanisms are discussed and the results for notched strength and tear resistance are evaluated and compared with each other. From the experiments, it is found that the notch sensitivity of the film increases with the increase in the size of the hole, but the notch sensitivity and the stress concentration of the notch are insignificant and there is a decrease of only about 4%-10% in tensile strength for the notched specimens with different hole sizes in diameter compared with the unnotched specimen. In contrast, the tear resistance containing a central slit with only 1 mm length is about half of tensile strength of the unnotched film, which implies that the tear resistance exists an significant notch sensitivity. The results of this study provide an insight into notch sensitivity and fracture behaviour of the Kevlar-PWF-reinforced TPU film and constitute a fundamental basis for the design of high altitude balloon.     

复合材料层板断裂韧性的实验研究

本文应用各向异性线弹性断裂力学的理论和方法对复合材料层板的断裂特性进行了实验研究。文中采用三种不同的方法,即K标定法、J积分法以及能量法测定了3240玻璃钢和碳/环氧层板两种复合材料的断裂韧性。三种方法均给出了较为满意的结果。     

用杂交应力元及等参元计算应力强度因子

 本文介绍一种用奇异性杂交应力元及等参元计算平面裂纹的应力强度因子和J积分的方法。实际计算表明,此种方法的优点是精度高,计算时间短,便于实际应用。文中给出三个算例。各例分别采用216～256个自由度。计算结果同解析解及其他奇异元的解进行了比较。各例算得的应力强度因子值,均同解析解相差仅1～2％。每例中由4～6条路径求得的J积分值,其分散度均在±O.7％以内。 计算在TQ-16机上进行,程序编译约6～7分钟,每例的计算时间约6～8分钟。     

计算缺口局部应力应变的能量法和低周疲劳寿命预测

局部应力应变法已成为预测结构零、部件疲劳寿命的有效方法。 在工程上,常常用近似的方法来计算应力应变。其中最常用的一种近似方法就是Neuber法,其优点是计算比较简单,但是,所得的局部应变往往偏大,用此应变预测疲劳寿命则偏于保守。因此,有人提出用疲劳缺口系数来代替Neuber法中的应力集中系数。     

粉末高温合金FGH96的高温缺口疲劳研究

在500℃和600℃两个温度条件下,研究了第二代粉末高温合金FGH96的缺口疲劳性能,将原始数据的曲线拟合成S-N曲线,分析光滑与缺口试样的Kf的差别,用扫描电镜分析了试样的断口形貌特征。结果表明:FGH96合金的疲劳缺口敏感性随着温度的升高和应力比的增大而降低;与光滑试样的断口相比,合金的缺口试样在高温下疲劳裂纹多由加工刀痕起源,因此缩短了其疲劳萌生寿命;疲劳扩展区疲劳条带比较明显,扩展区面积比光滑试样小。