耐久性分析相对小裂纹扩展速率公式的参数确定方法

结构细节相对小裂纹扩展速率公式是采用概率断裂力学方法进行结构耐久性分析的关键。针对目前需进行多个应力水平下的成组疲劳试验以确定相对小裂纹扩展速率公式适用范围和参数的问题,首先,通过将应力强度因子修正系数展开为多项式,基于材料稳定裂纹扩展段的裂纹扩展速率公式得到了耐久性分析的相对小裂纹扩展速率公式。然后,以受远场均匀拉伸载荷作用的中心圆孔板为对象,分别基于应力强度因子近似解和FRANC3D软件进行裂纹扩展分析,得到相对小裂纹尺寸范围及对应裂纹扩展参数的确定方法。最后,进行了3种试件在等幅交变应力下的耐久性试验,验证了该方法的正确性。      

航空铝合金弹塑性状态疲劳裂纹扩展速率试验

研究含长裂纹薄壁结构弹塑性状态下的裂纹扩展规律对于保证机体结构安全具有重要意义.设计了民机用铝合金大宽板裂纹扩展速率测试用试验件和夹具,进行了2024-T3和7075-T6两种铝合金大宽板弹塑性状态下裂纹扩展速率测试.讨论了应力强度因子变程(ΔK)和裂纹中心线处的张开位移变程(Δδ)作为弹塑性状态下裂纹扩展速率表征参量的适用性.研究结果表明:中、高级应力水平作用下,含长裂纹铝合金大宽板裂纹进入快速扩展阶段,裂纹扩展ΔK~da/dN曲线发生明显转折,不能用Paris公式拟合.在裂纹扩展后期,Δδ~da/dN曲线在双对数坐标下呈线性关系,可用Δδ~da/dN关系曲线来表征弹塑性状态下铝合金的裂纹扩展速率.     

近门槛区疲劳裂纹扩展规律的研究

本文检验了定义ΔK_(th)为da/dN=10~(-7)mm/次所对应的ΔK值的工程适用性,提出用二次曲线拟合[Ig(da/dN),IgΔK]数据可以得到更准确的ΔK_(th)值。在此基础上研究了两种近门槛区疲劳裂纹扩展速率公式[da/dN=c(ΔK-ΔK_(th))~n和da/dN=c(ΔK~n-ΔK_(th)~n)]的适用性以及确定c、n值的方法,给出了平均da/dN—ΔK曲线和p—da/dN—ΔK曲线的表达式。     

考虑过载迟滞效应的一个新模型

根据有效残余压应力的概念,并考虑基本循环中残余压应力的松弛,导出了计算过载后裂纹扩展速率的公式其中(da/dn)_0为未受过载影响的扩展速率,u=1 (1-α)λ-(1-α)(k_(ap)/Δk_b),及应力松弛系数 用本文方法对铝合金Ly12,2024,钛合金Ti—6Al—4V等试件在不同载荷情况下的过载迟滞期进行了计算。如令系数n=4,发现计算结果与实验结果符合得相当好。     

高温受弯构件表面裂纹疲劳扩展寿命预测

基于J-积分半经验公式建立了构件表面裂纹在其长度和深度方向上的疲劳扩展速率表达式,用来预计模拟SUS304钢构件在550℃高温环境中受弯曲载荷作用下表面裂纹的疲劳扩展寿命.并在相同条件下进行了疲劳裂纹扩展试验.结果表明,预测曲线与实验数据基本一致,证明了本文预测方法的有效性.     

双剪连接件及双耳连接耳片疲劳寿命估算的逐次累计求和算法

为了研究复杂连接件疲劳失效机理和估算其裂纹形成和扩展寿命,在双剪连接件和双耳连接耳片疲劳试验的基础上,首先,通过扫描电子显微镜（SEM）分析,研究了其破坏模式和机理,并利用断口定量反推技术判读了疲劳裂纹形成与扩展寿命。然后,根据应力严重系数法,建立了复杂连接件疲劳性能S-N-L（疲劳应力-寿命-应力严重系数）曲面;利用该曲面,发展了复杂连接件疲劳裂纹形成寿命估算算法;基于断裂力学理论,推导出裂纹扩展长度与扩展角度公式,建立了疲劳裂纹扩展寿命估算的累计求和算法。最后,运用寿命估算方法,估算了双剪连接件的疲劳裂纹形成寿命、双剪连接件和双耳连接耳片的裂纹扩展寿命,预测结果与断口判读结果吻合良好。本文寿命估算方法为复杂连接件疲劳定寿提供了理论依据。      

2195-T8铝锂合金疲劳多裂纹融合试验与仿真研究

铝锂合金作为航空航天广泛应用的合金材料,其疲劳断裂行为的研究对结构安全性评价具有重要意义。以第三代铝锂合金2195-T8为研究对象,通过恒幅拉-拉疲劳试验和有限元方法对2195-T8铝锂合金疲劳裂纹扩展行为进行试验与仿真研究。基于断面显微测量与观察,在仿真模型中引入多个初始裂纹,模拟多裂纹的融合扩展过程,获得多裂纹独自扩展、交融时扩展和融合后扩展的规律。结果表明：裂纹融合前,在疲劳循环载荷作用下,裂纹尖端应力强度因子总体上不断增大,塑性区域体积增加区域平缓;当裂纹相互融合时,裂纹面处应力强度因子瞬时增大,远高于其余裂尖数值大小;随着裂纹进一步融合,尖端应力强度因子数值趋于平稳;裂纹完全融合后,到达裂纹快速扩展阶段,塑性区域体积与扩展步数呈正比增加,扩展速率呈现先快后慢的规律,裂纹面交汇融合成新的椭圆形状裂纹面。     

水对复合材料层合板分层扩展的影响

本文研究了水对复合材料层合板在单向拉伸和疲劳循环载荷作用下的分层扩展速率的影响。研究结果表明,在单向拉伸载荷作用下,水对分层扩展速率影响不大,而在疲劳循环载荷作用下,层合板发生分层后,水渗入层间及横向裂纹中,使层间裂纹和横向裂纹扩展速率大大加快,层合板的疲劳强度和疲劳寿命显著下降。因此当复合材料层合板结构在水介质中工作时,必须考虑到裂纹对水的敏感性。本文还探讨了超载对疲劳裂纹扩展速率的效应。实验结果证明,与金属材料的机理完全不同,超载对复合材料的裂纹扩展不但无延迟效应,反而存在加速现象。     

LC_4高强度铝合金应力腐蚀断裂机理的研究(一)

本文用DCB试样研究了LC4高强度铝合金在pH=6～6.5,35℃±1℃的3.5％NaCl溶液中应力腐蚀断裂机理。 文中分析了断口表面的特征,并且指出靠近裂纹尖端的断口表面上被一层薄的钝化膜所复盖。它是一种非常有效的防止氢进入金属的阻挡层。 用金相跟踪照相的方法得到的应力腐蚀断裂试验结果证实裂纹尖端前沿的塑性区大小取决于裂纹尖端的K_1,而不取决于其它因素。 用恒电位技术得到的IgV—ψ曲线,表明阴极极化作用会抑制裂纹扩展,而阳极极化作用会促进裂纹扩展速率。 作者论证了LC4铝合金在试验条件下的裂纹扩展不是由于氢脆引起的。     

燕尾榫连接结构微动疲劳全寿命预测方法

微动损伤使航空发动机榫连接结构疲劳寿命显著降低。以钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构为例，提出一种适用于复杂结构微动疲劳全寿命预测方法。基于修正的Manson-McKnight方法和多轴疲劳理论，疲劳损伤参数由等效应力参数（ESP）表征，微动疲劳裂纹萌生位置和成核寿命通过有限元分析（FEA）和ESP预测。基于断裂力学理论和最大周向应力准则，提出微动疲劳裂纹扩展数值模拟方法，建立微动疲劳扩展寿命与裂纹长度函数关系，依据裂纹终值长度预测微动疲劳扩展寿命。结果显示:钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构微动疲劳裂纹扩展角预测值与实验值均为18°，裂纹生长方向预测值与实验值相符；微动疲劳全寿命（成核寿命+扩展寿命）预测值在实验值的2倍分散带内；最大拉伸载荷对榫连接结构的微动疲劳全寿命影响显著，在相同应力比下，最大拉伸载荷从18 kN变化到24 kN，钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构微动疲劳全寿命降低1个数量级。      

湿热对单向复合材料层板断裂韧性及疲劳裂纹扩展的影响

就湿热(70℃,相对湿度RH100％)环境对T300/914C石墨/环氧单向复合材料层板层间断裂韧性的影响进行了研究。用扫描电镜对断口形貌进行观察,不论是湿热处理的或是室温放置和经干燥处理的,断口形貌无明显差异。我们还对上述DCB试样在交变载荷作用下裂纹的扩展行为进行了研究。找出了裂纹扩展速率da/dN与最大循环应变能释放率G_(Imax)关系式da/dN=A·G_(Imax)~B中的A和B两个常数的数值。经湿热处理的DCB试样疲劳裂纹扩展速率与干燥试样相比有所降低。我们分别用断口形貌、断裂机理和断裂力学原理分析了湿热环境对复合材料性能的影响。     

铝双晶晶界滑动的实验研究

制取了具有[110]对称倾斜晶界的纯铝双晶体,获得了18种不同取向差的纯铝双晶试样。测定了晶界滑动速率与晶界取向差的关系。发现晶界滑动速率是晶界取向差(晶界结构)的敏感量;晶界滑动激活能随取向差变化而变化,并有极小值和极大值;晶界滑动速率随晶界切应力的增加呈线性上升;晶界滑动速率随温度的升高呈指数增加。     

广义断裂等寿命曲线与二维门槛值概率分布

根据疲劳等寿命曲线思想,首次提出广义断裂等寿命ΔKth-Kmth曲线概念及其表达式,该公式具有明确的物理意义,并能合理表达疲劳裂纹扩展门槛值均值与幅值之间的关系,用以确定二维门槛值概率分布;根据相关系数优化法建立了该公式的参数估计方法,并给出了具有可靠度p的广义断裂等寿命p-ΔKth-Kmth曲线公式,以广义p-ΔKth-Kmth曲线为基础首次导出了二维断裂门槛值概率分布,最后,分别以LY11和40CrNiMoA材料为研究对象,各进行了3组不同应力均值下的门槛值试验,并运用该方法对上述试验结果进行了可靠性分析,发现精度良好.     

夹持边界条件下表面裂纹应力强度因子求解

为了进行试验室条件下表面裂纹扩展行为研究,需要进行试验机夹持边界条件下的表面裂纹应力强度因子求解.通过对夹持特点的分析,将其等效为均匀拉伸和弯矩的共同作用,并使得试件端部转角为0°.以自由均匀拉伸和纯弯载荷作用下表面裂纹应力强度因子解的Newman-Raju公式为基础,计算得到了等效模型弹性位能表达式,应用卡氏第一定理求得了弯矩与拉伸载荷的关系,采用叠加原理得到了夹持边界条件下表面裂纹应力强度因子解.为了验证解的适用性,采用Abaqus软件计算得到夹持边界条件下若干典型表面裂纹的应力强度因子数值解,对比表明了提出的应力强度因子解法是足够精确的.随后探讨了裂纹形状、试件长厚比等对夹持边界条件下应力强度因子修正因子的影响规律.     

钛合金恒幅载荷下腐蚀疲劳裂纹扩展影响因素和机理的综述

本文评述了钛合金恒幅载荷下腐蚀疲劳裂纹扩展的影响因素:循环加载频率,循环载荷波形,合金成分,组织结构和热处理,以及介质种类,pH值,温度等。介绍了钛合金腐蚀疲劳裂纹扩展机理和几种模型。最后作者对研究钛合金腐蚀疲劳裂纹扩展速率提出了一些看法。     

蠕脆性材料的高温稳态裂纹扩展研究

推导了相似准则Ｒｅｃ，其描述了稳态扩展的蠕脆性理解尖变形奇异场，由７１８合金的蠕脆性理解纹扩展试验结果得到准则关联式，从而得到蠕脆性裂纹稳态扩展的速率公式，用扫描电子显微镜研究了蠕脆性裂纹稳态扩展的微观机理。     

表面裂纹超载迟滞效应的研究

本文研究了含表面裂纹试件在疲劳载荷作用下承受单峰超载时的裂纹扩展的迟滞效应。发现:使裂纹滞止的临界超载比有所提高;在同样超载比时,裂纹在c向(沿表面方向)的迟滞循环数比在a向(沿深度方向)的迟滞循环数要多;迟滞效应的影响区约等于(或略大)按lrwin公式计算的由超载引起的单调塑性区长度。用[1]中建议的计算模型对迟滞循环数进行预测,结果与实验数据符合得较好。     

直升机行星架疲劳裂纹扩展寿命预测

直升机行星齿轮保持架（简称行星架）是传动系统的重要部件,其可靠性对于直升机的飞行安全至关重要。行星架疲劳裂纹故障的发生、发展受多种因素影响,其故障诊断和寿命预测都有难度。为准确预测行星架疲劳裂纹寿命,研究了其裂纹故障发生、发展规律,提出了基于对数线性的方法,将裂纹扩展过程离散化处理,采用Paris公式,定量描述裂纹扩展速率,结合Miner准则,累积其疲劳损伤过程,最终得到随裂纹长度变化的行星架剩余使用寿命数值。利用有限元软件ANSYS Workbench的疲劳寿命模块对计算得到的数值结果进行了仿真对比,验证了方法的精确性和有效性。      

一种新的微机辅助疲劳裂纹扩展综合测试系统

在对数据处理和变载技术研究的基础上,采用C+ +编程,在X86系列微机上建立了一套新的功能先进的计算机辅助疲劳裂纹扩展速率综合测试、处理与分析系统.与其它系统相比,该系统在测试精度、信息获取、试验周期等方面大大改进,可进行恒ΔP法、恒ΔK法以及降ΔK升ΔK法等多种载荷与应力强度因子幅的控制试验,并在腐蚀疲劳裂纹扩展测试中得到成功应用,说明该系统测试有效,功能可靠.     

过渡状态下材料断裂韧性的计算方法

材料的断裂韧性对于损伤容限设计和评估技术非常重要,但采用传统的试验方法获得过渡状态下材料的断裂韧性需要大量的时间和费用.针对这些不足,提出了一种过渡状态下材料断裂韧性的计算方法.分析了三维裂纹尖端的三轴应力约束参数,利用材料断裂能量准则研究了断裂韧性与拉伸性能之间的关系,得到了在三向应力状态下Ⅰ型裂纹体断裂破坏时的断裂韧性与材料单向拉伸性能参数之间的关系表达式和过渡状态下材料断裂韧性的计算方法.计算了2219-T87铝合金在过渡状态下的断裂韧性理论值,并将其与试验结果和经验公式计算值进行比较.结果显示,理论计算值处于试验点范围内,小于经验公式计算值,且偏于安全.