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。      

一种多钉铆接连接件的疲劳寿命分析方法

针对目前对多钉铆接连接件进行疲劳寿命分析时的可行性不高、计算量较大等问题,提出一种更加有效可靠的预测多钉铆接连接件的疲劳寿命的方法。对多钉铆接连接件进行疲劳寿命分析时,先对压铆铆接过程进行了显示动力学分析,获得铆接后的钉、孔变形形式和干涉量,并编写了APDL子程序用于各种形式试件的铆接过程分析。用紧固件的载荷-位移曲线进行细节应力分析。基于三维弹塑性有限元法建立铆接连接件的载荷-位移计算方法,并通过与试验结果对比,说明用本文方法获取载荷-位移曲线的可靠性。在ANSYS中建立钉单元,并实现参数化建模进行钉载计算。使用应力严重系数法估算连接件疲劳寿命。开展典型航空铆接连接件疲劳试验,计算结果与试验结果一致性较好,说明计算方法的可行性。      

Al-Li合金搅拌摩擦焊搭接接头的疲劳性能

通过疲劳寿命试验、疲劳断口和金相组织分析,研究了Al-Li合金搅拌摩擦焊搭接接头的疲劳性能,分析了接头前进侧热机影响区(TMAZ, Thermal-Mechanically Affected Zone)出现的"钩状缺陷"对其疲劳性能的影响.结果表明,钩状缺陷容易引起裂纹萌生及扩展,减小接头的有效承载板厚,适当缩短搅拌针长度可以改善钩状缺陷,提高接头力学性能.母材与搭接接头的疲劳S-N曲线研究表明:在高疲劳应力下,接头的疲劳寿命接近母材,但随着疲劳应力水平降低,接头的疲劳寿命急剧下降,200万循环周次下的疲劳强度仅达到80 MPa,为母材的35%.     

含多裂纹结构的可靠性分析方法

为了对含多裂纹结构的可靠性进行评估,在疲劳多裂纹扩展随机模型的基础上,建立了含多裂纹结构的可靠性分析模型.结构的可靠度是控制裂纹扩展的多维随机变量落在等寿命曲面(线)与坐标面(轴)围起的范围内的概率,即多维随机变量的概率密度函数在等寿命曲面(线)与坐标面(轴)围起的范围内的积分.针对较为简单的情况,建立了完全积分可靠性模型;针对复杂结构但各条裂纹扩展特性相差不大的情况,建立了简化串联可靠性模型;针对复杂结构各条裂纹扩展特性相差较大的情况,建立了修正简化串联可靠性模型.考虑结构可靠性的粗略分析,给出了可靠度的上限值.结合多裂纹扩展随机模型给出了算例.      

Al-Li合金搅拌摩擦焊搭接接头的疲劳性能

通过疲劳寿命试验、疲劳断口和金相组织分析,研究了Al-Li合金搅拌摩擦焊搭接接头的疲劳性能,分析了接头前进侧热机影响区(TMAZ,Thermal-Mechanically Affected Zone)出现的“钩状缺陷”对其疲劳性能的影响.结果表明,钩状缺陷容易引起裂纹萌生及扩展,减小接头的有效承载板厚,适当缩短搅拌针长度可以改善钩状缺陷,提高接头力学性能.母材与搭接接头的疲劳S-N曲线研究表明:在高疲劳应力下,接头的疲劳寿命接近母材,但随着疲劳应力水平降低,接头的疲劳寿命急剧下降,200万循环周次下的疲劳强度仅达到80 MPa,为母材的35％.     

焊接缺陷对异种铝合金TIG对接接头疲劳行为的影响

以5A06-O/7A05-T6异种铝合金钨极氩弧焊（TIG）对接接头为对象，通过疲劳试验数据和断口形貌分析，研究了气孔缺陷和未熔合缺陷对焊接接头疲劳性能的影响规律及机理。结果表明:气孔缺陷和未熔合缺陷对5A06-O/7A05-T6对接接头的疲劳性能均产生不利影响，且缺陷的大小、位置与载荷的交互作用是影响疲劳裂纹提前萌生的主要因素，同一应力水平下，疲劳裂纹更易萌生于尺寸较大且位置更接近于材料表面的焊接缺陷处，而随着应力水平的降低，焊接缺陷对焊接接头疲劳性能的不利影响更为显著；与气孔缺陷相比，未熔合缺陷边缘的应力集中效应更明显，更易导致疲劳裂纹萌生，且焊接接头组织相较于焊接母材组织更脆，疲劳裂纹以穿晶和沿晶形式交替扩展，使疲劳寿命进一步缩短。      

航空重载面齿轮三维裂纹分析与疲劳寿命预测

针对应用于航空重载传动的面齿轮寿命难以预测,分析其裂纹萌生和扩展过程以及相应的寿命.根据材料应变-寿命关系,利用MSC.Fatigue进行裂纹萌生仿真,分析不同负载扭矩、表面粗糙度、表面处理工艺下裂纹萌生寿命的变化规律;根据线性断裂力学理论,借助于Franc3D模拟裂纹扩展过程,直至满足断裂准则,由应力强度因子历程确定裂纹扩展寿命.最终获得面齿轮在不同表面粗糙度、表面处理工艺下的疲劳寿命曲线,实现面齿轮疲劳寿命的预测.      

采用Ti/Ag/Ti中间层连接SiC陶瓷的 有限元应力分析

在陶瓷与金属或陶瓷与陶瓷(采用金属中间层)的连接过程中,陶瓷与金属的热膨胀系数等性质存在差异而产生的残余热应力是连接接头强度弱化的主要原因.采用有限元方法对Ti/Ag/Ti作为中间层热压连接SiC陶瓷进行了应力的有限元计算分析,结果表明采用Ti/Ag/Ti结构的金属中间层连接SiC陶瓷时,对接头危害较大的残余应力主要分布在连接件近缝区.靠近试样外表面区域是接头的薄弱区,裂纹易在此处萌生,裂纹的扩展先是沿着一条向陶瓷侧凹入的弧线向陶瓷内切入,而后沿径向扩展.接头实际断裂方式与有限元分析结果相符,表明采用有限元方法对陶瓷连接接头的残余应力进行模拟计算有重要的指导意义.      

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。     

基于XFEM-CZM耦合法的胶接接头裂纹扩展分析及强度预测

采用扩展有限元法（XFEM）和内聚力模型（CZM）相耦合的方法，分析胶接接头胶层内部裂纹扩展、界面脱粘分层现象。采用内聚力单元和内聚力接触描述胶层/板材界面，建立单/双搭接接头有限元模型。预测拉伸载荷下接头的强度性能并与已有试验数据对比分析，验证XFEM-CZM耦合法的可行性及内聚力单元和内聚力接触2种界面建模方法的有效性。模拟裂纹从胶层内部扩展至胶层/板材界面并引起界面脱粘分层的过程，分析其损伤失效机理。讨论初始裂纹长度和界面刚度、强度及应变能释放率对胶接接头强度性能的影响。结果表明:胶接接头强度随初始裂纹长度增加而降低，且在双搭接接头模型中表现更为明显；界面刚度、强度对胶接接头强度影响较大而应变能释放率的影响较小。      

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。      

裂纹扩展寿命安全可靠性分析模型研究

通过分析影响裂纹扩展寿命的多个随机因素,就目前较为常用的裂纹扩展寿命安全可靠性分析模型进行比较.在此基础上,本文提出了一种新的模型--裂纹扩展寿命~断裂韧度可靠性分析模型,该模型基于目前比较公认的裂纹扩展寿命分布和断裂韧度分布特性,为工程界进行含裂纹结构的概率损伤容限评估提供一定的理论依据.     

腐蚀环境下的随机耐久性分析方法

为了对恶劣环境下工作的飞机结构进行耐久性分析,建立了腐蚀环境下的随机耐久性分析方法.假设地面停放预腐蚀和空中飞行腐蚀疲劳相互独立,腐蚀环境下的结构疲劳质量服从威布尔分布,采用对数正态随机变量模型描述裂纹扩展过程,得到了裂纹超越概率的表达式.通过与一般环境下和腐蚀环境下的概率断裂力学方法的对比,证实方法更接近于飞机结构的真实使用情况,可以用于腐蚀环境下工作的飞机结构的耐久性评定.     

变更载荷谱情况下的耐久性分析技术与应用

针对全尺寸飞机结构疲劳(耐久性)试验过程中更改载荷谱情况下对全尺寸结构疲劳试验机(单机)进行耐久性评定的需求,基于耐久性分析的概率断裂力学方法和改进的裂纹萌生方法,提出了综合不同谱下耐久性试验数据集确定描述结构细节原始疲劳质量的当量初始缺陷尺寸分布的方法,给出了载荷谱变更情况下计算各应力区裂纹超越概率的损伤累加方法,从而建立了能够准确预测载荷谱变更情况下结构经济寿命的耐久性评定方法.这种方法已成功应用于某型飞机结构全尺寸试验中更改载荷谱情况的耐久性评定,有着重要的工程应用价值.      

复合材料单搭接胶接接头试验研究与数值模拟

针对不同搭接长度和不同被胶接件厚度的T300/QY8911层合板单搭接胶接接头进行了试验研究和数值模拟.建立了不同试验参数下的三维有限元模型,基于Hashin准则和连续介质损伤力学(CDM,Continuum Damage Mechanics)预测层合板面内损伤的起始和演化,应用黏聚区模型(CZM,Cohesive Zone Model)模拟层合板的分层损伤及胶层的失效.系统地研究了接头在不同参数下的失效模式、破坏形貌和极限载荷等的变化,模拟结果与试验吻合良好,验证了有限元分析模型的有效性.通过对接头的破坏形貌和应力分布进一步分析发现,胶接连接的失效模式和极限载荷均与胶接长度和被胶接件厚度有关;模拟接头胶接区在不同加载时刻的应力分布变化,反映了胶接连接在拉伸载荷下的破坏起始和演化过程.