多轴随机载荷下的疲劳寿命估算方法

提出了一种多轴随机载荷下的疲劳寿命预测方法.通过雨流计数法对各平面上的剪应变进行循环计数,以统计出的剪应变循环作为多轴疲劳损伤的主要控制参数,将各剪应变循环历程内对应的最大正应力和正应变变程作为多轴疲劳损伤的第二控制参数.根据多轴疲劳寿命模型计算出各平面上的损伤,以最大损伤平面作为多轴随机疲劳的临界平面,通过该临界平面上的损伤计算出多轴随机载荷下的疲劳寿命.采用SNCM630钢,304不锈钢和S45C钢3种金属材料的多轴随机疲劳试验数据对提出的寿命预测方法进行评估和验证.结果表明:疲劳寿命预测结果大都分布在试验结果的2倍分散带之内.     

基于三维裂纹尖端应力场的应力强度因子计算方法

提出一种基于无限大体裂纹尖端弹性应力场理论解的前几项多项式函数,对实际裂纹体弹性应力场有限元解进行拟合来计算应力强度因子的方法.该方法在计算应力强度因子时不需要预先假设裂纹尖端的应力应变状态,应力强度因子计算结果更符合三维裂纹体裂纹尖端实际的应力应变状态.首先基于二维无限大板中心穿透裂纹应力场理论解验证了方法的有效性,探讨了拟合确定应力强度因子需要的多项式应力函数的项数.然后分别以二维大板中心穿透裂纹、三维大体内埋圆裂纹和三维有限厚板中心穿透裂纹的应力强度因子计算为例,通过与无限大板和无限大体应力强度因子理论解以及基于位移外推法和1/4节点张开位移法的应力强度因子有限元解的对比分析,验证了该方法的有效性和合理性.研究表明该方法能够合理反映三维裂纹体裂纹尖端的实际应力应变状态,计算得到的应力强度因子数值更合理.      

FOD缺口型损伤对TC4疲劳极限强度的影响

针对TC4钛合金风扇/压气机叶片前缘常遭受的外物损伤(FOD)缺口型损伤,进行了不同冲击角度下高速弹道冲击试验研究、损伤特征与应力集中分析,开展了冲击后不处理和冲击后去残余应力退火试样的高循环疲劳试验和疲劳极限强度预测。结果表明:随着冲击角度的增大入射侧损伤尺寸和应力集中系数基本保持不变,出射侧缺口损伤深度和损伤长度减小。损伤深度范围为0.6~1.5mm,应力集中系数范围为2.6~3.4。缺口型损伤试样的疲劳极限强度下降为光滑试样的27%~53%,与应力集中系数并不是呈反比关系。退火试样的高循环疲劳(HCF)性能或略微下降或基本不变,表明残余应力影响较小,残余应力对疲劳极限强度的影响程度不足光滑试样的10%。缺口型损伤试样的HCF性能与损伤底部半径的相关性不明显,随着最大损伤深度和损伤长度的增加而下降,表明制定维修手册时应着重考虑缺口型损伤的最大深度和损伤长度。Peterson经验公式对HCF性能的预测精度不理想,误差最大为45%,需要发展高精度的FOD缺口型损伤构件HCF性能预测方法。      

基于连续损伤力学的轮盘超转破裂行为预测与验证

为有效预测轮盘的超转破裂行为,建立了1种基于连续损伤力学的预测方法。给出了该方法下基于光滑拉伸试验数据的直接时效GH4169合金弹塑性本构模型参数与损伤模型参数确定方法。对缺口半径分别为0.5、2和5 mm的3种缺口圆棒试样的拉伸响应曲线进行了有限元计算,并与试验结果进行了对比。结果表明:该模型可以较准确地预测缺口试样的极限拉伸载荷和拉伸断裂变形。采用弧长法对模拟盘的超转破裂过程进行了非线性有限元计算,使用模拟盘超转破裂试验进行了验证。该模型不仅可以较准确地预测模拟盘的破裂转速,还能有效预测模拟盘的超转破裂模式。对于实际轮盘破裂转速预测具有一定的指导意义。     

叶片外物损伤容限设计的本质特点及设计准则的发展

通过对风扇/压气机叶片外物损伤及其失效特点的深入分析,认为叶片外物损伤容限设计的本质是考虑外物损伤影响的叶片振动应力设计.通过对国内外发动机设计规范和标准的分析和回顾,将外物损伤容限设计准则的发展分为3个阶段:①50年代初-60年代末,以外物损伤(FOD)的预防和维护为主;②70年代初-90年代末,等效为应力集中系数K_t≤3的缺口容限设计;③2000年以来,FOD的概率容限设计.最后对我国外物损伤容限设计的研究方向提出了建议.      

虑及高循环疲劳的裂纹型外物损伤叶片的可用极限

为了发展一种航空发动机钛合金风扇/压气机叶片外物损伤（FOD）可用极限的确定方法，对典型叶片的可用极限进行了调研，基于裂纹门槛值原理建立了应力比相关的FOD裂纹不扩展等值曲线图，根据TC4钛合金不同应力比下材料的疲劳耐久性极限强度对比了两种裂纹不扩展判据的适用性，通过该方法确定了一种典型风扇叶片撕裂/裂纹型外物损伤的可用极限。结果表明:现有维修手册中对叶片不同区域不同类型FOD的可用极限要求不同，FOD可用极限的主要限制尺寸为损伤深度，深度限制一般在1mm以内。通过裂纹不扩展等值曲线图确定的典型风扇叶片撕裂/裂纹型FOD可用极限分布在0.020~0.525mm内，可用极限沿叶片展向分布可分为三个区域:叶根区可用极限约0.08mm，叶中区可用极限约0.3mm，叶尖区可用极限约0.5mm，越靠近叶根可用极限越小。      

凹坑型硬物损伤对TC4材料疲劳强度的影响

针对风扇/压气机叶片中叶盆/叶背遭受的硬物损伤(FOD)凹坑型损伤,进行了不同冲击角度下模拟FOD试验、损伤特征与应力集中分析,开展了冲击后不处理和冲击后去残余应力退火试样的高循环疲劳试验研究和疲劳强度的预测。结果表明:损伤深度和应力集中系数均随着冲击角度的增加而变大,损伤深度范围为0.1~0.5mm,应力集中系数范围为1.3~1.7。不同冲击角度条件下,凹坑型损伤试样疲劳强度相对光滑试样下降程度在50%~70%范围内,与应力集中系数并不是呈单调下降关系,最危险冲击角为60°。去残余应力退火后凹坑型损伤试样的高循环疲劳（HCF）性能有所提高,表明残余应力的影响程度不容忽略。去残余应力试样的HCF性能并不是随应力集中系数的增大而下降,验证了微结构损伤的影响,说明损伤深度作为制定可用极限或维修极限的唯一参量具有一定的局限性。对凹坑型损伤试样的疲劳强度的预测误差在±20%以内。      

复杂载荷下偏心穿透裂纹应力强度因子的计算方法

提出了三维矩形平板内偏心穿透裂纹承受复杂非线性载荷下,仅含有3个系数的通用权函数。采用有限元法获得了三维矩形平板裂纹体模型下的3组参考应力强度因子,结合二元拉格朗日插值法获得了通用权函数系数。进行了自洽性验证以及裂纹面上承受简单3次、5次、7次、复杂幂函数应力分布和残余应力分布下通用权函数的验证。结果表明,通用权函数的自洽性误差在0.9%以内;裂纹面上承受复杂幂函数应力分布时,通用权函数法的误差在4.5%以内;裂纹面承受残余应力分布载荷时,通用权函数法的误差在8.5%以内。说明所提出的通用权函数具有较高的计算精度,可以满足工程中高效、准确地计算偏心穿透裂纹承受任意复杂非线性载荷下的应力强度因子需求。      

某镍基单晶高温合金塑性变形与失效分析

为有效预测某镍基单晶高温合金在复杂应力状态下的塑性变形响应,采用光滑平板拉伸试验获取[001]向拉伸性能,根据缺口平板试件试验数据反衍优化获得其他取向的性能参数,基于广义Hill准则,构建了针对该材料的各向异性弹塑性本构模型,并使用该模型开展镍基单晶高温合金在复杂应力状态下的塑性变形行为的大变形有限元预测,结合Freudenthal失效准则对名义极限强度进行预测,与试验结果进行对比分析。结果表明:反衍优化建立的各向异性本构模型能够较为准确地描述该镍基单晶高温合金在复杂应力状态下的拉伸响应行为,且能较为准确地预测出几种试件的名义极限强度,误差小于6%。对工程中单晶涡轮叶片塑性失效分析有一定指导意义。     

基于大变形蠕变分析的持久寿命预测方法

提出一种基于真应力真应变弹塑性蠕变本构模型和大变形有限元分析的高温构件持久寿命预测方法.该方法利用以真应力-真应变表示的材料高温拉伸应力-应变曲线建立材料的弹塑性模型,基于蠕变曲线建立蠕变本构模型,并采用大变形有限元方法计算高温构件在给定载荷下的变形响应曲线,根据其响应曲线的变化趋势来确定构件持久寿命.通过TC11钛合金缺口试件500℃下的持久试验对上述方法进行验证,并与三种基于小变形分析的持久寿命预测方法进行对比.结果表明:本工作提出的方法可以较准确地预测TC11缺口试件的高温蠕变响应和持久寿命,其预测精度优于基于关键点断裂应变、缺口净截面平均有效应力以及骨点应力的小变形有限元分析的寿命预测方法.