含裂纹金属薄板的断裂韧度与剩余强度研究

为了探究影响含裂纹铝合金薄板材料断裂韧度、剩余强度的几何因素以及韧性材料的断裂机理,对典型航空铝合金2524-T3薄板,采用不同宽度、不同初始裂纹长度的中心裂纹板试样进行试验,测定材料的K-R阻力曲线,确定平面应力断裂韧度Kc和表观断裂韧度Kapp.试验结果表明:对于薄板结构,K-R阻力曲线与板宽相关;试件宽度、初始裂纹长度对断裂韧度和表观断裂韧度的确定都有影响,且板宽度的影响较大.基于上述结论,推荐两种可同时反映韧性材料断裂中的净截面屈服效应和韧性撕裂过程的剩余强度预测方法.     

6156-T4铝合金焊接加筋薄壁结构剩余强度评估的CTOD方法

为保证飞机设计满足损伤容限性能要求,有必要对其进行剩余强度评估。针对6156-T4铝合金焊接连接薄壁结构进行了R曲线和剩余强度试验,判断了裂纹扩展经过筋条时的裂纹扩展路径,测量了母板和筋条两个方向的裂纹扩展速率,并采用不同的断裂准则和分析方法对单及双跨度多个初始裂纹长度焊接加筋薄板的剩余强度进行了预测。结果表明:裂纹扩展在经过筋条时,同时沿着母板和筋条继续扩展,筋条上的裂纹扩展方向垂直于母板且两个方向的裂纹扩展速率基本相同;采用净截面屈服准则进行剩余强度预测时会低估这种韧性较好的焊接连接薄壁结构的剩余强度;基于SINTAP-FITNET评价体系,以裂纹尖端张开位移(CTOD-δ5)作为裂纹尖端弹塑性表征参量进行剩余强度预测时,预测结果比采用K曲线预测方法精度高。     

用于J阻力曲线测试的载荷分离直接标定法

基于载荷分离原理提出了确定不同裂纹长度钝裂纹紧凑拉伸(CT)试样的载荷-位移(P-V)曲线显式表达式的方法,进而通过与尖裂纹试样的P-V曲线进行对比分析,发展了直接确定尖裂纹试样实时裂纹长度的载荷分离直接标定(LSDC)法。该方法无需在试样断面上进行任何裂纹长度的物理测量。采用Cr2Ni2MoV钢制成的CT试样验证了LSDC法的可行性和有效性。研究结果表明,LSDC法得到的J阻力曲线相比柔度法和规则化法更加合理、精确。由LSDC法还可从相同初始裂纹长度条件下的钝裂纹和尖裂纹CT试样的P-V曲线分离点得到能够真实反映材料启裂的临界断裂韧度,相比根据0.2mm钝化偏置线交点确定的传统条件启裂韧度值更为合理,且具有更小的数据分散性。     

基于直通型CT试样测试方法的断裂韧度研究

依据ASTM用于CT试样获取断裂韧度载荷分离理论规则化方法提出量纲一载荷分离法,从而完善用于断裂韧度测试的载荷分离理论,且根据弹塑性有限元精细计算结果以及直通型CT变形几何关系,提出裂纹嘴张开位移与加载线位移的转换公式。采用不同初始裂纹长度CT钝裂纹试样对公式的有效性和精确性进行试验验证,进而实现对1Cr12Mo、30Cr2Ni4Mo V以及P91管材10Cr9Mo1VNb N三种合金直通型CT试样的JR阻力曲线测定,结果表明,试验值与公式计算值的最大相对误差均在5%以内。     

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...     

含多处损伤未加筋铝合金-壁板的剩余强度

 进行了含多处损伤（MSD）的未加筋LY12CZ铝合金壁板的剩余强度试验。用0.12的钼丝切割预制裂纹,在垂直于裂纹面的方向施加单调增加的拉伸载荷,直至壁板破坏。得到了含不同裂纹几何的未加筋壁板的剩余强度。试验结果表明随着主裂纹长度增加,未加筋壁板的剩余强度减小;对相同的主裂纹长度,主裂纹和相邻的MSD裂纹之间的距离b减小,平板的剩余强度也减小。用5种失效准则分别计算了每个壁板的剩余强度。与试验结果的比较表明,净截面屈服准则和表观断裂韧性准则的误差较大,塑性区连通准则预测的平均误差为22.17%,改进的表观断裂韧性准则的平均误差为16.98%,而改进的塑性区连通准则预测的平均误差为8.27%,改进的塑性区连通准则大大提高了预测结果的精度。     

基于剩余强度和裂纹扩展寿命模型的可靠性分析

对剩余强度可靠性模型和裂纹扩展寿命可靠性模型进行比较分析,结果表明,两种模型在理论上是相容的,但两种模型在物理意义上是不同的,剩余强度模型是根据结构剩余强度与载荷之间的关系,比较直观地给出了结构可靠性的计算方法,即通过在载荷谱作用下裂纹尖端应力强度因子应小于材料的断裂韧度建立安全余量。裂纹扩展寿命模型是根据裂纹扩展寿命小于给定的寿命建立安全余量从而计算可靠性的方法,由于裂纹扩展寿命不如裂纹长度直观,可以通过寿命与裂纹长度的关系,转化到根据裂纹长度求解可靠度。由于剩余强度可靠性模型表达式较复杂,可以考虑对该模型的求解采用Monte-Carlo模拟法,免去了复杂的推导过程,对裂纹扩展寿命可靠性模型的求解采用了均值一次二阶矩法,该方法省去了繁琐的计算过程,近似求解可靠度,并能保证一定的精度。     

整体加筋壁板的破损安全特性与断裂控制分析

用有限元和断裂力学方法分析大型整体机翼下壁板的破损安全特性。对一个九桁条铝合金整体加筋板,裂纹从断裂筋条下向两侧均匀扩展的开裂形式,进行了应力强度因子和剩余强度计算,并和另一个具有相同构形的铆接加筋板的结果进行对比。当裂纹长度在两倍桁条间距以内时两种加筋板的剩余强度水平相当。但是当整体壁板中的裂纹穿过外侧相邻桁条时,整体桁条的止裂能力逐渐减弱。研究对整体壁板蒙皮胶接止裂条的断裂控制措施及有限元建模分析方法,描述止裂条胶层局部脱粘的处理方法和迭代过程。止裂条材料分别选用了钛合金和单向层压复合材料。计算结果说明胶接止裂措施能显著提高整体加筋板的破损安全性能。     

改进的确定多处损伤平板剩余强度的连通模型

为了评估多处损伤（MSD）对未加筋平板剩余强度的影响,进行了多处损伤平板的剩余强度试验研究。用钼丝切割预制疲劳裂纹,每个试验件承受拉伸载荷直到破坏,记录破坏载荷,得到不同裂纹几何平板的剩余强度。试验结果表明主裂纹长度增加使平板的剩余强度减小;对相同的主裂纹长度,主裂纹与相邻MSD裂纹之间的韧带（b）减小,试验件剩余强度也减小。以试验数据为基础,提出了一种改进的塑性区连通模型。用塑性区连通准则和改进的塑性区连通模型分别计算了多处损伤平板的剩余强度,结果表明对不同的主裂纹长度和不同的韧带长度,塑性区连通准则预测的平均误差为23．39％;而改进的塑性区连通准则的平均误差为7．57％,大大提高了预测结果的精度。还研究了主裂纹长度和b对剩余强度的影响。     

图像处理技术在疲劳裂纹长度测量中的应用

研究材料的疲劳断裂特性,对产品结构设计和寿命预估计具有重要意义。试验中常需测量裂纹扩展长度,以确定裂纹长度与循环载荷次数的关系。在多孔铝合金板疲劳试验过程中,采用先进的图像数据采集和处理技术来测定疲劳裂纹的实际长度,拍摄不同循环次数下疲劳裂纹扩展的CCD图像;基于MATLAB软件,采用OTSU算法和形态学方法,把CCD图像转换成二值图并进行细化处理,得到裂纹扩展骨架图;用链码方法计算出裂纹像素长度,最后根据标定系数便可获得裂纹的实际长度。与显微镜测量裂纹方法比较,该方法具有精度高、非接触、可保存裂纹扩展状态等特点。     

含中心裂纹铝合金板复合材料单面胶接修复后的疲劳特性

采用碳纤维复合材料对中心裂纹铝合金板进行了单面胶接修复,测试了修复结构的疲劳性能,包括铝合金板的裂纹扩展速率、补片与铝合金板之间的界面脱粘和修复结构的疲劳剩余强度.结果表明:复合材料胶接修复能有效地降低铝合金板的裂纹扩展速率,提高其疲劳寿命;胶接的补片使铝合金板的疲劳裂纹扩展纹线线型发生变化,且线型变化集中在裂纹扩展初始阶段;疲劳导致修复结构出现界面脱粘,脱粘区域近似椭圆形,且界面脱粘面积随疲劳周次的增加而增加.     

基于表观断裂韧性的Ⅰ-Ⅱ型复合断裂准则分析

以Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹结构为研究对象,对紧凑拉伸剪切试样(CTS)的剩余强度及开裂方向进行了理论分析及试验研究,推导出了仅与CTS结构加载角度相关的破坏载荷公式,并建立有限元模型(FEM),获取结构的表观断裂韧性值,试验验证了模型的可行性。通过对比不同断裂准则在开裂角、临界载荷及复合断裂韧度方面的工程适用性,表明基于von Mises应力的复合型断裂准则更有利于工程分析,为结构的承载能力评估提供了技术支持。     

基于剩余疲劳寿命的金属板/复合材料胶接修补分析

采用复合材料补片对含中心裂纹的铝板进行胶接修补,利用ANSYS有限元软件中的INTER204单元来模拟胶层,运用APDL语言参数化建模,分析了复合材料补片的长度、宽度以及厚度对裂纹板剩余疲劳寿命的影响规律。结果表明:增加补片的宽度和厚度可以增加CCT板剩余疲劳寿命,而增加补片的长度却使CCT板剩余疲劳寿命减小。     

含MSD铝合金平板的剩余强度试验研究

针对飞机结构中日趋显著的多部位损伤(MSD)问题,进行含多部位损伤铝合金平板结构剩余强度的试验研究.试验中使用三种不同的试验件,将其在相同应力水平下预制出一定长度的多条裂纹后拉断,记录断裂时的载荷.试验结果与常用的五种评估含多裂纹结构失效准则进行计算分析和对比,了解各个准则的准确程度.最后的对比表明,五种估算剩余强度的方法中,净截面失效和裂纹尖端张开位移法误差较大,断裂力学估算方法对于有显著主裂纹的情况更适用,塑性区连通和平均应力准则预测的偏差较小.     

多处损伤平板的剩余强度研究

进行了多处损伤平板的剩余强度试验,用净截面屈服准则、塑性区连通准则和修正的断裂韧性准则分别计算了MSD平板的剩余强度,并把预测结果与试验进行了对比。结果表明对不同的主裂纹长度和不同的韧带长度,净截面屈服准则预测结果的误差较大,而且偏危险;塑性区连通准则对较长的韧带预测结果的误差较小,而修正的断裂韧性准则对较短的韧带预测的误差较小。研究了不同的主裂纹长度对平板剩余强度的影响,主裂纹长度的增加使平板的剩余强度减小。     

某飞机机翼下壁板搭接区损伤容限分析

为了获得某飞机机翼下壁板搭接区铆钉孔损伤容限特性,依据搭接区基本结构,结合国军标损伤容限的具体要求,在初始角裂纹模式下,采用商用损伤容限分析软件NASGRO对结构在损伤容限谱载下进行了分析。同时对不同裂纹长度下结构的剩余强度进行了计算,得出了裂纹扩展长度和剩余强度随时间变化的曲线。本文的分析方法可用于飞机其它部位的损伤容限分析。     

基于微观结构的2B06铝合金全寿命概率模拟

通过新型铝合金2B06轧制薄板材料的金相分析和疲劳断口的扫描电镜分析知,其疲劳裂纹萌生机理与材料微观结构有着紧密的联系,该型铝合金轧制薄板光滑试件的疲劳裂纹一般倾向于尺寸较大的S相(Al₂CuMg)粒子处萌生。经统计分析获得S相粒子尺寸的分布规律;将S相粒子当量假设为表面裂纹,运用概率断裂力学,建立涵盖"材料微观结构→短裂纹扩展→长裂纹扩展→断裂"失效过程的全寿命概率模拟理论模型,通过不同应力水平和不同应力比的多组疲劳试验对模型进行验证。结果表明,提出的全寿命概率模拟方法是合理的、可行的。     

基于ABAQUS/Franc3D的孔边疲劳裂纹扩展分析

为了研究孔边疲劳裂纹扩展规律,联合有限元建模软件ABAQUS和断裂力学分析软件Franc3D对不同角度初始孔边裂纹扩展过程进行仿真,得出应力强度因子的变化趋势,并对孔边裂纹在随机疲劳载荷作用下的疲劳裂纹扩展过程进行仿真,得出裂纹扩展长度-载荷循环次数(a-N)曲线。结果表明:在疲劳载荷作用下与水平方向夹角越小的初始裂纹扩展速率越大,结构剩余寿命越短。联合仿真方式为飞机损伤容限设计和评估结构剩余寿命提供一种分析方法。     

盐雾环境对复合材料修复铝合金板疲劳性能的影响

采用单向碳/环氧复合材料补片真空袋压工艺单面修复含中心裂纹铝合金板,进行0-1700h盐雾梯度腐蚀试验,测试并对比分析了各腐蚀时间结点上试件修复前后的疲劳性能,从疲劳寿命、疲劳临界裂纹长度和Paris公式材料常数(C和m)的变化三个方面考察不同盐雾腐蚀深度对铝合金裂纹板修复前后的疲劳性能差异。结果表明:碳/环氧补片胶接修复铝合金板能大幅度提高疲劳寿命,且未经修复的裂纹板在腐蚀1700小时后疲劳寿命下降53.8%,而修复板仅为38.6%。修复板疲劳裂纹临界长度acr大于未修复裂纹板,且随盐雾腐蚀时间延长,裂纹板和修复板acr变化不大,可作准判据使用。由试验数据得到的不同腐蚀时间上试样的材料常数C和m随腐蚀时间延长而减小。利用Paris公式可较好拟合铝合金板疲劳寿命及Paris区内的疲劳裂纹扩展行为,但疲劳寿命预测值与实际值的差异由未经腐蚀时的5%左右增大到腐蚀1500h时的10%左右。     

安—24飞机延寿疲劳试验中裂纹临界长度和扩展寿命的计算

在飞机结构疲劳试验中,正确地给出裂纹的临界长度和扩展寿命是圆满完成疲劳试验,并保证损伤后的飞机能够通过剩余强度试验的关键环节。本文采用能量释放率法计算了安-24飞机延寿疲劳试验中主要裂纹的应力强度因子.并确定了临界长度和扩展寿命。这为适时结束安-24飞机疲劳试验,进行l审j余强度试验提供了理论分析依据,这里所给出的确定裂纹临界长度和扩展寿命的分析方法,对飞机结构疲劳试验和剩余强度试验有较高的参考价值;同时,这种分析方法对服役飞机出现裂纹后正确确定检测周期也具有一定参考价值。