复杂结构部件概率疲劳寿命预测方法与模型

针对多部位损伤(MSD)复杂结构部件的疲劳寿命预测问题,通过定义损伤临界值随机变量,分析、讨论了寿命概率分布、损伤概率分布、损伤临界值概率分布的属性及其之间的关系,研究了概率损伤累积原理,提出确定累积损伤临界值概率分布的方法,建立了概率累积损伤准则。基于多层次统计分析技术和系统层可靠性建模原理,构建了复杂结构部件的概率寿命预测模型;通过各关键部位的损伤累积和结构系统的失效概率计算,实现了复杂结构部件概率疲劳寿命预测,通过典型算例展示了方法及模型的应用。     

2024-T3铝合金孔板高低周复合疲劳试验研究

对2034-T3铝合金孔板试件进行了高低周复合疲劳性能试验,研究高低周循环次数比对复合疲劳寿命的影响,建立了高低周循环次数和应力幅比与高低周复合疲劳寿命之间的关系式,并对现有损伤累积模型的适用性进行了分析讨论。试验和分析结果表明：随着高低周循环次数增大,复合疲劳寿命有显著的降低,复合疲劳寿命与高低周循环次数比呈对数线性关系。现有的累积损伤准则对试验结果的预测偏于危险,非线性累积损伤准则优于线性累积损伤准则。     

层合板螺栓连接结构疲劳寿命预测

为了准确预测复合材料连接结构损伤的产生和扩展,基于单向板疲劳性能预测层合板螺栓连接结构疲劳寿命。用T300/BMP-316单向板试验数据对正则化疲劳寿命与剩余强度的参数进行拟合;在复合材料基体主控失效判据基础上增加纤维失效和分层失效判据,改进基于断裂韧性的失效准则判定损伤的产生和扩展;采用二级载荷疲劳寿命等效实现损伤的非线性累积,再对相应的损伤进行材料性能退化。预测结果与试验对比表明:对不同几何参数层合板连接结构的对数寿命预测与试验误差在5%以内,对不同应力水平下层合板连接结构的对数寿命预测与试验误差在10%以内,最终破坏模式及损伤区域的预测与试验结果吻合良好。     

基于疲劳寿命的复合材料舱体分级优化分析

为构建三维应力状态复材结构疲劳寿命模型,提出由刚性元和弹簧元来模拟层间作用,结合二维板元构建三维有限元模型。借助典型应力比下的疲劳试验结果和损伤模型,结合等寿命曲线转化理论,发展一种任意应力比下的疲劳寿命分析方法。引入复合累积损伤建立多轴循环应力下的疲劳寿命模型。借助应力分析、静强度和疲劳累积损伤失效分析及材料性能退化模型,模拟面内和层间损伤产生、发展直至整体破坏过程,得到疲劳寿命。通过层合板疲劳寿命预测值和试验结果对比,验证所建模型的正确性。考虑设计变量空间复杂性,采用二级优化方法:系统级布局优化和子系统级尺寸优化。采用自适应遗传算法,以质量最小为目标函数,以疲劳寿命要求为约束条件,对复材舱体进行优化。建立基于多轴应力疲劳寿命的复材结构优化框架,为复材结构优化设计提供参考。      

基于灰色估计和多项式变异理论的附件传动系统在随机载荷作用下的疲劳寿命预测

针对航空发动机附件传动系统在随机疲劳载荷作用下的寿命预测问题,提出了综合灰色估计和多项式变异理论的疲劳寿命预测方法。运用灰色模型和多项式变异理论,得到二维载荷谱及等幅疲劳中值曲面。以平行轴-齿轮传动结构为例,基于Miner疲劳累积损伤理论,危险点的疲劳中值寿命计算值约为135×107次。验证试验中采用等效应力状态的40Cr标准试件,工艺流程依据GB3077-82可满足航空传动轴强度要求。定时截尾寿命试验的样本容量是45,试验样本寿命的均值约为142×107次,结构疲劳中值寿命的试验值略高于计算值,证明该计算方法是可靠并偏于保守的,为提升附件传动系统疲劳寿命提供理论参考和数据基础。     

单轴非线性连续疲劳损伤累积模型的研究

首先在连续疲劳损伤理论的基础上,根据疲劳损伤过程中金属材料韧性的变化特点,建立一种新的非线性疲劳损伤累积模型。该模型考虑了疲劳极限、平均应力以及损伤参量与加载参数的不可分离的特点,并且能够反映出加载顺序的影响。然后推导出该疲劳损伤累积模型在多级加载下的递推公式。经３种金属材料的疲劳试验数据验证结果表明,用该模型预测疲劳寿命,其结果令人满意的。     

涡轮盘低循环疲劳寿命概率分析

大量试验证明疲劳寿命符合对数正态分布,并且对数寿命标准差随应变水平降低而增大;在此基础上,引入对数寿命的线性标准差及标准正态随机变量μ,将Mason-Coffin公式随机化,疲劳性能参数均表示为μ的函数,建立了基于试验数据统计分析的概率寿命模型.对GH4133材料疲劳试验数据进行线性异方差回归分析,得到了疲劳性能参数的随机表达式及概率密度曲线,各参数并不服从正态分布或对数正态分布.应用该模型对某涡轮盘进行了低循环疲劳寿命可靠性分析,获得了轮盘寿命分布,对应最大概率和可靠度0.9987的寿命均与轮盘的试验分析相吻合.     

考虑尺寸效应的轮盘应力疲劳概率寿命分析方法

针对基于应变寿命模型的体方法对中、长寿命轮盘及模拟件寿命预测精度不准的缺陷,提出了考虑尺寸效应基于应力寿命模型的体方法,将最大应力比作为寿命可靠性计算的一个参数.对轮盘模拟试件进行了考虑尺寸效应的疲劳寿命可靠性分析,计算概率寿命与试验中值寿命相差14％,吻合良好.而传统的应变寿命点方法中值寿命预计结果误差达15倍之多.表明考虑尺寸效应的应力寿命体方法可以用来预估中、长寿命轮盘及模拟件的概率寿命.      

基于连续介质损伤力学的高温微动疲劳寿命预测模型

建立了一种基于连接介质损伤力学(CDM)的高温微动疲劳寿命预测模型用以分析航空发动机榫连接结构在不同温度下的微动疲劳寿命。该模型在现有的基于非线性疲劳损伤累积(NLCD)模型微动疲劳寿命预测模型的基础上,引入温度相关的损伤速率因子以考虑温度对榫连接结构微动疲劳行为的影响。以某型发动机钛合金TC11燕尾榫结构模拟件为研究对象开展不同温度下的微动疲劳寿命数值模拟预测研究,预测结果与试验结果相比在2倍误差范围以内,证明了此寿命预测模型的有效性。      

疲劳寿命分散系数的确定与应用研究

疲劳寿命分散系数是评估飞机结构疲劳寿命与航空发动机轮盘寿命试验的重要技术参数之一。阐述了国内外疲劳寿命分散系数研究的成果,针对工程中实际寿命分布问题中最常见的对数正态分布和威布尔分布的形式,给出了基于试验样本最差、中值、最好及第k试验寿命的分散系数表达式;重点分析总结对数正态分布标准差和威布尔分布中形状参数的选取,同应力多危险部位分散系数研究及其随应力的变化规律;通过2个例子分析了疲劳分散系数在轮盘低循环疲劳寿命工程计算中的应用,认为疲劳寿命分散系数应在不同温度和应变比,对数正态分布标准差,同应力多危险部位,3参数的威布尔分布,工程化应用等方面开展进一步研究。     

各向异性材料微动疲劳寿命研究

设计和制造了一套采用液压加载方式来施加法向载荷的微动疲劳试验装置,并且在该装置上进行了各向异性材料DD3与粉末高温合金FGH95以及DZ125与FGH95配对接触的微动疲劳试验,研究其微动疲劳的损伤过程.各向异性材料微动疲劳试验的完成证明了该装置的性能良好.将微动综合损伤参量应用于各向异性材料微动损伤的表征,并建立了DD3和DZ125相应的微动疲劳寿命预测模型.通过微动综合损伤参量的计算分析与试验验证,表明所建立的各向异性材料微动疲劳寿命模型其预测结果误差分散带均在2.8倍因子以内.      

Multiaxial fatigue life prediction of composite laminates

A study of composite laminates under tension–torsion biaxial loading is presented. The focus is placed on fatigue lives of composite laminates under different tension–torsion biaxial fatigue loading paths. A macro-meso model used to predict multiaxial fatigue life of composite laminates is also presented in this paper. Firstly, a macro-scale 3D RVE corresponding to composite laminates is established to determine strain components in the material principal direction of each layer for each biaxial stress ratio. Secondly, a meso-scale 3D RVE corresponding to each layer with fibers distributed randomly is established, with progressive damage prediction method, biaxial strength of composite laminates can be predicted, and the final failure layer can be confirmed. Thirdly, select any one of fatigue loading path at which the final failure of composite laminates is fiber failure (matrix failure) to establish the reference curve for fiber (matrix). Finally, with reference curve, fatigue life of composite laminates under any biaxial loading path can be predicted. And numerical results show good agreements with experimental data.     

榫连接结构微动疲劳寿命研究

根据航空发动机叶片和轮盘的榫连接结构接触区域的几何特性,对其微动疲劳接触问题进行了简化.通过有限元方法对简化模型进行数值计算分析,获取相应的应力、应变和位移.将临界平面法和微动损伤机理相结合,提出了一个微动损伤参量,并建立相应的微动疲劳寿命预测模型.将TC11试验件和榫连接构件的微动疲劳试验寿命与预测寿命进行比较分析.结果表明:所建立的微动疲劳寿命模型其预测结果误差分散带均在2倍因子以内.      

Multiaxial fatigue life prediction of composite materials

In order to analyze the stress and strain fields in the fibers and the matrix in composite materials,a fiber-scale unit cell model is established and the corresponding periodical boundary conditions are introduced.Assuming matrix cracking as the failure mode of composite materials,an energy-based fatigue damage parameter and a multiaxial fatigue life prediction method are established.This method only needs the material properties of the fibers and the matrix to be known.After the relationship between the fatigue damage parameter and the fatigue life under any arbitrary test condition is established,the multiaxial fatigue life under any other load condition can be predicted.The proposed method has been verified using two different kinds of load forms.One is unidirectional laminates subjected to cyclic off-axis loading,and the other is filament wound composites subjected to cyclic tension-torsion loading.The fatigue lives predicted using the proposed model are in good agreements with the experimental results for both kinds of load forms.     

基于最大损伤临界平面多轴疲劳寿命预测方法

基于临界平面法,提出一种多轴疲劳损伤参量和多轴寿命预测模型,与传统损伤参量以最大剪应变变程平面为临界平面不同,该损伤参量以最大损伤平面为临界平面,考虑最大剪应变变程,作用在最大剪应变变程平面上的法向应变变程和最大法向应力对疲劳裂纹萌生与扩展的综合作用,更好地反映非比例加载产生的循环附加强化导致疲劳寿命减小的现象,并且该损伤参量不含经验常数,不需进行平均应力修正,适于工程应用.经3种材料试样多轴疲劳试验验证,该模型预测结果较好.使用该损伤参量对某型发动机涡轮盘传动臂销钉孔寿命进行预测进一步证明以最大损伤平面为临界平面的损伤参量的工程适用性.      

一种单晶涡轮叶片热机械疲劳寿命评估方法

针对单晶涡轮叶片热机械疲劳(TMF)问题,围绕单晶涡轮叶片TMF试验,结合单晶变形、损伤理论及数值模拟,建立了一套单晶涡轮叶片TMF寿命评估方法.利用空心气冷涡轮叶片TMF试验系统,对单晶涡轮片考核截面在服役条件下所产生的交变应力场和交变温度场进行模拟,确定了裂纹萌生部位及其TMF寿命.考虑单晶涡轮叶片变形和损伤行为的特征,分别建立了基于滑移系的Walker黏塑性本构模型和基于临界平面的循环损伤累积(CDA)模型.利用上述本构和寿命模型,完成了单晶涡轮叶片TMF试验的数值模拟.结果表明:叶片理论危险点与试验结果一致,且计算寿命基本落在试验寿命的3倍分散带内.      

基于临界面-损伤参量法的高压涡轮盘多轴疲劳寿命预测

基于临界面法对某高压涡轮（HPT）盘及GH4169合金试样进行多轴疲劳寿命预测,得出SWT（Smith-Watson-Topper）模型对单轴疲劳具有较好的预测效果而对多轴疲劳的预测效果较差,Fatemi-Socie （FS）模型也能较好地预测单轴加载下的疲劳寿命,但FS模型仅考虑最大剪应变幅平面上的正应力对疲劳损伤的影响,导致其多轴疲劳寿命预测偏保守。基于此,本文以最大剪应变幅为主要损伤控制参数,同时以最大剪应变幅平面上的正应力和正应变组成的修正参数作为多轴疲劳损伤的第二控制参数,提出了一个新的多轴疲劳临界面-损伤参量模型。结合GH4169合金及某高压涡轮盘试验验证。结果表明,对比SWT、FS和Wang-Brown （WB）模型,新模型的多轴疲劳寿命预测精度更高。     

基于雨流计数法的随机声疲劳寿命估算方法研究

针对飞机结构中的声疲劳破坏问题,以雨流计数法的基本原理和计数规则为基础,研究了雨流计数法在Mallab语言中的具体实现方法并得到载荷谱,结合材料性能S-N曲线在Miner线性累积损伤理论准则下估算结构疲劳寿命.并以某航空薄壁柱壳结构为例进行疲劳寿命估算,取得了良好的效果,从而为结构的声疲劳寿命估算提供了一种可行的方法.