无扩口管路连接件疲劳寿命预估的损伤力学-有限元法

 以损伤热力学为基础,构建分式形式的损伤演化方程。针对管路连接件等轴对称形式的构件,引入等效应力和等效应变。根据损伤力学守恒积分原理,得到恒幅重复载荷下应力与寿命关系的级数表达式,根据标准件疲劳试验结果拟合得到损伤演化方程中的材质参数。利用APDL语言编程对ANSYS软件进行了开发,使得借助ANSYS软件的损伤力学-有限元数值解法成为可能。利用该方法预估了TC6钛合金标准件疲劳裂纹萌生寿命,其结果与试验数据吻合。进一步,预估了管路连接件裂纹萌生寿命,预测了裂纹扩展路径并预估了疲劳裂纹扩展寿命。本文为采用损伤力学方法来预估构件的疲劳寿命提供了一种可行的方法。     

套圈材料对自润滑关节轴承热力学性能的影响

为研究套圈材料对自润滑关节轴承性能的影响,建立了基于ABAQUS有限元软件的热力耦合模型。在特定工况下分析了2024铝合金与GCr15两种材料的关节轴承等效应力的大小、摩擦副的热传导过程以及接触应力与温度的分布规律。结果表明:铝合金套圈的等效应力均小于屈服强度,能满足使用要求,与GCr15轴承钢相比,该轴承衬垫受到的等效应力降低了35.4%,同时铝合金轴承的衬垫比GCr15轴承更快地达到热稳定状态;另外,铝合金轴承的摩擦面接触应力降低15.4%,套圈温度降低2 ℃,衬垫温度降低15.7 ℃,且应力与温度分布更均匀。综上所述,2024铝合金关节轴承在一定工况下比GCr15轴承磨损寿命更长具有更优异的性能。通过试验验证了GCr15轴承的温升过程与温度分布,与有限元结果具有很好的一致性。     

结合损伤力学与有限元方法预估铆接结构疲劳寿命

利用飞机铆接试验件疲劳试验数据,结合损伤力学与有限元方法,通过MATLAB调用ABAQUS进行损伤演化方程参数的遗传优化反演。将反演得到的损伤演化方程用于飞机结构疲劳寿命预估中,对机翼蒙皮锪窝形式的铆接结构进行了寿命计算和分析,并与试验数据作对比,证明了方法的可行性。     

脉冲爆震轴向载荷对双半内圈球轴承疲劳寿命的影响

针对脉冲爆震涡轮发动机(PDTE)中的周期性、强非定常轴向载荷可能导致滚珠轴承可靠性降低的问题,应用损伤力学理论和有限元法建立了PDTE中双半内圈球轴承的疲劳寿命预测模型,研究了在脉冲爆震燃烧室(PDC)引入的周期性、强非定常轴向载荷作用下双半内圈球轴承的疲劳寿命。研究结果表明双半内圈球轴承的两个半内圈均在接触区次表面最大切应力位置处萌生裂纹,随后裂纹逐渐扩展至表面导致轴承疲劳失效。在PDC爆震阶段,由于引起第一半内圈疲劳损伤的切应力范围较小,因此第一半内圈的疲劳寿命较高;而在PDC填充和排放阶段,由于接触摩擦作用以及滚珠滚过第二半内圈时产生较大的切应力范围,从而导致第二半内圈的疲劳寿命较低。在对PDC爆震阶段引入的峰值轴向载荷进行合理设计后,PDTE中双半内圈球轴承的疲劳寿命主要由第二半内圈的接触状态和轴承的润滑条件决定。本文的研究成果为PDTE中滚珠轴承的选型与设计提供参考。     

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。     

铆钉连接件细节应力分析及疲劳裂纹形成寿命预估

 首先建立简化的力学模型模拟复杂的铆钉连接件结构，并用有限元软件对所建立的模型进行细节应力分析。然后利用损伤力学守恒积分原理得到计及损伤耦合效应的集中应力表达式。在此基础上，根据由热力学原理导出的以损伤驱动力表示的损伤演化方程，给出裂纹形成寿命与载荷关系的解析表达式。进一步，按照某种材料的部分标准试件的中值疲劳曲线拟合损伤演化方程中的材质参量，并利用同类材料的其他标准试件的中值疲劳曲线进行寿命预估方法验证。最后，给出了国产某型客机危险部位具有不同存活率的疲劳裂纹形成寿命。     

考虑缺口和体积效应的轮盘等效体积概率寿命分析方法

航空发动机轮盘的疲劳破坏多伴有缺口效应和体积效应。为了研究缺口效应和体积效应对疲劳寿命的影响,采用修正Walker模型考虑平均应力的影响,建立能统一描述各应力水平下疲劳寿命分布的三参数Weibull模型,在"等概率寿命、等损伤"的基本思想下,将轮盘大应力区的危险体积转换为具有相同损伤的等效体积,进而利用Weibull最弱环理论可获得具有缺口效应和体积效应的轮盘危险部位在任意失效概率下的疲劳寿命。对两种不同厚度(4mm和6mm)的涡轮盘螺栓孔模拟试件进行概率寿命预估,并与试验结果及应力体方法预估结果进行对比。结果显示,本方法对两种模拟试件的概率寿命预估结果最大误差在30%左右,在中位、高可靠度时的最大预估误差为-23.2%,预估精度高于应力体方法。     

典型壁板搭接区试验件疲劳寿命分析

采用ABAQUS软件建立典型壁板搭接区试验件三维实体有限元模型,并进行应力分析,获得搭接区钉孔最大应力;运用应力严重系数法和线性损伤累积理论对典型壁板搭接区试验件在随机载荷谱作用下的疲劳特性进行计算分析,给出了试验件疲劳寿命预估值;计算结果满足目标寿命要求。将分析结果与试验件的疲劳耐久性试验结果进行对比,发现寿命预估值与试验结果吻合较好。     

柔性接头疲劳摆动寿命分析研究

通常柔性接头在进行全周大角度摆动时易发生疲劳失效。为探究柔性接头摆动寿命与损伤机理,基于裂纹成核理论,提出了一种预估柔性接头疲劳寿命有限元计算方法,并分别预估了1MPa,3MPa,5MPa,8MPa内压下柔性接头摆动4.5°的疲劳寿命。结果表明,柔性接头疲劳失效最易发生于与前法兰相连的弹性件上,在内压3MPa左右时疲劳摆动次数最大。随后开展了四重片剪切疲劳试验,对仿真寿命预估结果进行验证。四重片剪切疲劳试验与仿真结果对比,循环寿命次数相差15%以内,表明了该寿命预估计算方法的正确性。     

考虑冲击缺陷的钛合金板的疲劳寿命预估

基于连续损伤力学理论,研究了含冲击凹坑缺陷的Ti-1023钛合金板的疲劳损伤问题。通过分析冲击损伤与疲劳损伤的共同作用以及应力场与损伤场的耦合作用,对含冲击凹坑的钛合金板的疲劳寿命进行了预估。首先,基于连续介质运动学理论,采用非线性动力学有限元分析软件进行冲击损伤的模拟,得到冲击凹坑处的残余应力场与塑性应变场。其次,根据塑性损伤方程,计算冲击凹坑局部的初始损伤场,并将其作为后续疲劳计算的初始条件。然后,采用Chaudonneret的多轴疲劳损伤力学模型建立损伤力学-有限元数值解法,以进行损伤演化过程的数值计算。最后,综合考虑残余应力场、塑性初始损伤和疲劳损伤的共同作用,对含冲击凹坑的钛合金板进行了疲劳寿命预估,并进行了相应的疲劳验证试验。结果表明,预估结果与试验结果相一致。所做研究为工程中采用损伤力学方法来预估含冲击损伤的结构的疲劳寿命提供了一种可行的方法。     

基于MarC的混合陶瓷角接触球轴承的接触分析

基于一典型的混合陶瓷角接触球轴承,着重介绍了通过在Marc平台上如何建立合理的角接触球轴承的有限元分析模型;在对有限元模型的静力分析后,得到了混合陶瓷角接触球轴承的接触应力、应变分布和其他相关的初步有限元分析结果;针对有限元分析得出的结果,与经典弹性力学接触理论结果进行了对比,分析出可能导致两种方法不同计算结果的原因。     

弹用混合式陶瓷轴承的开发研究

为延长弹用涡喷发动机轴承的寿命、避免过早失效和提高其可靠性，在分析全钢轴承恶性失效形式的基础上，根据工况对轴承性能的要求研制了混合式陶瓷轴,承用拟静力学分析方法对比分析了全钢轴承和混合式陶瓷轴承的性能指标，台架实验表明了陶瓷轴承以疲劳逐步扩展的良性失效形式为主要失效形式，能够克服全钢轴承在高速高温重载限量润滑条件下发生热失稳、咬死等恶性故障，对高速恶化工况有很好的适应性。     

某液体火箭发动机涡轮泵球轴承故障机理及改进方案(已撤稿）

针对某型号液体火箭发动机涡轮泵球轴承在试验过程中出现的故障,在进行轴承故障机理分析的基础上,对轴承关键结构参数进行了改进,使用滚动轴承动力学分析软件SARB(simulation and analysis of rolling bearings)对比分析了改进前后轴承的接触应力、接触角、旋滚比、保持架打滑率和质心轨迹等性能参数,并通过试验手段验证轴承改进方案和动力学分析结果的正确性。结果表明:轴承结构参数改进后,内接触角减小,保持架打滑率由10%下降到4%,钢球旋滚比和打滑速度均降低,钢球和保持架运转稳定性均提高。      

某航空发动机轴承钢球失效分析

针对某航空发动机轴承钢球的表面剥落及裂纹故障,利用视频显微镜、扫描电镜等设备对故障钢球剥落表面进行宏、微观检查,明确了钢球表面剥落性质为滚动接触疲劳;通过裂纹断口分析、能谱分析及金相检查等手段,确定了钢球裂纹是在淬火过程中温度过高导致的淬火裂纹,同时钢球组织中存在带状碳化物,对淬火裂纹的产生有一定的促进作用。淬火裂纹在钢球工作过程中并未扩展,但引起钢球表面发生接触疲劳剥落。建议在钢球热处理过程中,严格控制热处理工艺参数,保证热处理温度和保温时间的稳定。     

航空发动机主轴承接触应力精确仿真计算方法

采用稳态热分析与动态接触力学分析相结合的方法以提高计算精度,考虑轴承摩擦生热及瞬态冲击效应的影响,得到经热应力修正的轴承应力分布及变化特征。研究表明:最大动态接触应力位于钢球表面,外圈滚道次之,内圈滚道最小；轴承接触应力具有明显动态冲击响应特性,分布及大小具有随机变化性；接触应力由主应力与剪切应力共同构成,随转速及轴向载荷增大而增大。      

基于拟动力学高速角接触球轴承动态特性分析

为真实地反映高速角接触球轴承的运转情况，建立了高速角接触球轴承拟动力学分析模型，选用BFGS(Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno)计算方法嵌入高速角接触球轴承拟动力学计算程序，并通过与SKF公司开发的拟动力学分析程序AT74Y001的计算实例进行对比，两者计算误差在5%之内.通过分析不同结构参数合工况参数对轴承动态特性的影响可以得到:随着轴向载荷的增大，内、外圈接触角增大；随着径向载荷的增大，在承载区内圈接触角减小，外圈接触角增大，在非承载区内圈接触角增大，外圈接触角减小；随着转速的增加，轴承内圈接触角的逐渐变大，外圈接触角逐变小；随着钢球数目和轴向载荷的增大，轴承在3个方向刚度逐渐增大；随着内圈沟曲率系数、径向载荷和转速增大，轴承在3个方向刚度逐渐减小.      

联合载荷作用下精密角接触球轴承动态特性演变规律

基于滚动体与套圈之间相互作用与相对位置关系,考虑离心力、陀螺力矩等非线性因素影响,建立了精密角接触球轴承五自由度拟静力学分析模型,并基于逐步搜索法原理对轴承刚度计算模型进行优化,揭示了复杂联合载荷作用下精密角接触球轴承动态特性的演变规律。研究表明:轴向载荷在一定程度上减小轴承内外圈接触角差值,削弱由于转速增大引起的刚度软化现象;力矩载荷与径向载荷单独作用时,均导致轴承接触角、接触力波动幅度增大,沿载荷作用方向轴承刚度增大,垂直于载荷作用方向刚度减小;联合载荷作用下,力矩载荷能够抑制径向载荷引起的轴承内部载荷波动,提高轴承承载能力与使用寿命。      

负游隙对高速高温薄壁圆柱滚子轴承动态性能的影响分析

计算了圆柱滚子轴承径向游隙为负值时的等效径向预紧载荷,并考虑等效径向预紧载荷下的套圈弹性变形,通过求解包含套圈弹性变形接触变形等效径向预紧载荷的非线性方程组,得到负游隙圆柱滚子轴承内部的载荷分布情况,以及负径向游隙带来的套圈周向应力.以此分析了负游隙对轴承承载性能及疲劳寿命的影响.结果表明:负径向游隙能够有效降低轴承打滑率,但同时也会降低轴承疲劳寿命,因此在负游隙设计时需同时考虑打滑率和轴承寿命,选择恰当的负游隙.     

薄壁交叉圆柱滚子轴承最佳径向工作游隙

以型号为RA8008UUCC0对数修形的薄壁交叉圆柱滚子轴承为分析对象,借助RomaxDesigner软件对比分析在联合载荷作用下径向工作游隙对承载滚子数、滚子最大载荷、滚道应力分布、轴承刚度、最小油膜厚度和疲劳寿命的影响情况,得出径向工作游隙是影响轴承力学性能的关键因素,结果表明:轴承受载滚子数随游隙的减小而增多,滚子与滚道接触应力分布趋于均匀化,相同条件下,倾覆力矩的影响比较显著。联合载荷作用下,随着工作游隙的减小,轴承刚度增大。当径向工作游隙小于-0.002mm时,随着径向工作游隙绝对值的增大,滚子与滚道接触变形减小,接触应力增大,刚度增大,最小油膜厚度减小,轴承寿命降低。同一径向工作游隙下,倾覆力矩可以减小滚子与轴承内外圈之间的油膜厚度,从而显著降低轴承疲劳寿命,轴承最佳径向工作游隙范围为-0.004~0mm。