基于数字图像相关方法微裂纹萌生试验研究

为了进一步研究疲劳裂纹在萌生阶段的特点,本文结合数字图像相关方法 (Digital Image Correlation Method,DIC)设计并组建了配合液压疲劳试验机加载的原位观测系统。同时针对DIC测量方法中的关键技术进行研究,分别提出了一种可应用于视场宽度2mm下DIC计算的微小散斑制备方法,以及空间调节方法以提高试验可靠性。最后应用该系统开展针对航空发动机火焰筒材料GH536的微裂纹自然萌生试验。通过采取两种不同的DIC分析策略,分别获得疲劳过程中的总应变幅以及最大累积塑性应变的演化规律。结果表明总应变幅演化可确定自然萌生裂纹位置,最小可识别50μm裂纹;最大累积塑性应变分析可得萌生寿命占比约85%,并在裂纹出现后塑性应变急剧增加。     

电位法测量微缺口试样的数值分析

疲劳寿命受到材料内部缺陷的制约,可以通过电位法试验获得微缺口试样的疲劳裂纹扩展规律,进而分析缺陷对材料疲劳寿命的影响。在试验前,需要预先研究试验的主要影响因素。利用COMSOL有限元软件,研究了电流输入点位置和电势差测点位置对试验精度和试验复现性的影响,计算得到不同裂纹前缘形状对应的电位法校核曲线。结果表明:(1)电流输入点位置位于试样平行于裂纹面的上下表面时,可以保证试验的复现性。(2)当测点位于裂纹面的垂直对称面上,且测点距离裂纹面垂直距离为0.06～0.1倍试样宽度时,可以同时满足测试精度和复现性。(3)当裂纹宽度和裂纹深度的比值3时,可以不考虑裂纹前缘形状对校核曲线的影响,当裂纹宽度和裂纹深度的比值≤3时,裂纹前缘形状对校核曲线的影响较大。     

考虑小裂纹特性的裂纹扩展数值分析方法及实验验证

为了对工程断裂关键件进行全面的损伤容限分析,需要发展一种能够考虑小裂纹阶段的疲劳裂纹扩展数值分析方法。在Paris公式的基础上基于镍基粉末高温合金小裂纹扩展行为特点,提出了一种小裂纹加长裂纹阶段的裂纹扩展物理力学过程描述,并以此建立了裂纹扩展速率模型。同时考虑到工程应用,将该模型通过FRANC3D软件的用户子程序,与有限元方法结合,构建了一种可分析实际工程结构例如航空发动机涡轮盘上疲劳裂纹扩展的数值分析方法。针对带初始缺陷的FGH96合金标准试棒进行了裂纹扩展数值分析,并与开展的裂纹扩展寿命实验进行了对比。数值计算结果与实验结果吻合较好,表明该方法能够充分考虑小裂纹阶段的裂纹扩展行为特点,适用于分析工程结构疲劳裂纹扩展的全过程。