基于损伤力学的干涉配合连接结构寿命预测方法

铆接连接件疲劳破坏常出现在铆钉孔周,现阶段常采用干涉配合提高铆接连接件疲劳寿命。以干涉配合铆接连接件为研究对象,采用连续介质损伤力学方法,研究其在循环载荷作用下疲劳破坏特性。通过APDL语言对ANSYS软件进行二次开发,建立了结构疲劳裂纹萌生寿命的损伤力学——有限元法,可以预估干涉配合铆接连接件的疲劳寿命。计算了典型铆接件的疲劳寿命,并与SWT临界平面法预估的疲劳寿命进行对比,验证损伤力学——有限元法的准确性。     

球轴承接触疲劳寿命预估的损伤力学-有限元法

以线弹性力学及连续损伤力学为基础,构建球轴承接触疲劳的损伤演化方程。利用轴承钢GCr15扭转疲劳试验数据拟合得到损伤演化方程中的材质参数。通过该方程预估轴承钢GCr15的扭转疲劳寿命,其结果与试验数据吻合。采用ABAQUS有限元分析软件仿真得到6206球轴承的接触应力分布并分析了6206球轴承最大接触应力区。根据6206球轴承的载荷及应力应变状态将最大接触应力区简化为二维平面应力模型。在此基础上预估了6206球轴承的接触疲劳寿命。设计并进行了6206球轴承疲劳强化试验。轴承接触疲劳剥落都萌生于内圈,与应力仿真分析结果相契合。三个试验轴承的试验与预估接触疲劳寿命的相对误差分别为29.52%、3.03%和51.16%,验证了接触疲劳寿命预估方法的有效性。研究表明采用损伤力学预估球轴承的接触疲劳寿命是工程中可行且实用的方法。      

轴对称构件疲劳寿命预测的损伤力学-附加载荷-有限元法

 提出了一种实用有效的弹塑性损伤应力 -应变本构方程与损伤演化方程。针对中高周疲劳问题,发展了轴对称疲劳寿命预测的损伤力学 -附加载荷 -有限元法计算格式。通过引入塑性附加载荷,考虑了构件应力集中区域塑性变形对构件疲劳寿命的影响。预估了30 Cr Mn Si Ni2A材料含沟槽轴对称试件的疲劳裂纹形成寿命,并分析了疲劳裂纹的扩展情况。疲劳寿命理论预测结果与实验结果吻合良好。     

铆钉连接件细节应力分析及疲劳裂纹形成寿命预估

 首先建立简化的力学模型模拟复杂的铆钉连接件结构，并用有限元软件对所建立的模型进行细节应力分析。然后利用损伤力学守恒积分原理得到计及损伤耦合效应的集中应力表达式。在此基础上，根据由热力学原理导出的以损伤驱动力表示的损伤演化方程，给出裂纹形成寿命与载荷关系的解析表达式。进一步，按照某种材料的部分标准试件的中值疲劳曲线拟合损伤演化方程中的材质参量，并利用同类材料的其他标准试件的中值疲劳曲线进行寿命预估方法验证。最后，给出了国产某型客机危险部位具有不同存活率的疲劳裂纹形成寿命。     

结合损伤力学与有限元方法预估铆接结构疲劳寿命

利用飞机铆接试验件疲劳试验数据,结合损伤力学与有限元方法,通过MATLAB调用ABAQUS进行损伤演化方程参数的遗传优化反演。将反演得到的损伤演化方程用于飞机结构疲劳寿命预估中,对机翼蒙皮锪窝形式的铆接结构进行了寿命计算和分析,并与试验数据作对比,证明了方法的可行性。     

损伤力学方法在材料低周疲劳试验中的应用研究

考察了低周疲劳过程中的弹性模量和应力随循环次数的变化.研究表明:可以用弹性模量和应力的变化来反映材料的低周疲劳损伤过程.对没有明显循环稳定阶段并表现为循环软化响应行为的材料, 不适合用应力的变化来定量的反映材料低周疲劳的损伤过程.用弹性模量随循环次数的演化关系得到了不同应变水平下材料的疲劳裂纹萌生寿命, 并用三参数幂函数方程对应变与疲劳裂纹萌生寿命进行了拟合处理, 得到了应变与疲劳裂纹萌生寿命方程.      

变幅载荷对高温合金裂纹萌生及扩展寿命的影响

为了更好地分析航空发动机用高温合金裂纹萌生阶段的变幅载荷对高温材料的低周疲劳裂纹萌生及扩展寿命的影响,将低周疲劳的裂纹萌生过程视作损伤累积过程,基于连续损伤力学建立了低周疲劳损伤累积模型.结合室温下GQGH4169合金的裂纹扩展试验数据,通过有限元建模计算和数值分析方法确定了模型中具体的损伤参数数值,并对裂纹萌生寿命进行了预测.结果表明:该方法不但能准确地预测变幅加载下CT试样的裂纹萌生寿命,而且能很好地反映萌生阶段变幅载荷对裂纹扩展寿命的影响,而且降低了试验成本.     

基于损伤力学的GH4169合金低循环裂纹萌生寿命预测

为了更准确地预估高温材料的低循环疲劳裂纹萌生寿命,将低循环疲劳的裂纹萌生过程视作损伤累积过程,基于连续损伤力学建立了损伤累积模型.结合360 ℃、650 ℃下GH4169合金的低循环疲劳寿命数据拟合出模型的具体表达式,进而开展了对低循环疲劳裂纹萌生寿命的预测试验.结果表明:该方法针对GH4169合金低循环疲劳裂纹萌生寿命的预测结果较为理想,其分散带基本在2倍以内,且能很好的反映变幅加载对GH4169合金低循环疲劳裂纹萌生寿命的影响.     

预估金属构件疲劳全寿命的损伤力学-有限元法

 引用损伤力学方法研究金属构件疲劳问题,建立了应力场-损伤场耦合基本方程与有限元素-附加载荷解法,并以损伤划分步长推导了构件疲劳裂纹形成与扩展寿命的预估公式。本文用以上方法预估2024与7075两种材料、多种几何参数含缺口板试件全寿命。结果表明,理论S-N曲线与实验S-N曲线吻合良好。本方法所需机时较少,可能用于工程实际。     

含孔薄板孔边疲劳裂纹的萌生和扩展

 测试了 Ni基高温合金 GH41 69含孔薄板试件不同应力幅下的低周疲劳寿命,给出了孔边最大应力幅相同时,应力集中因子改变对试件疲劳寿命的影响。结合断口 SEM分析,探讨了应力集中条件下,疲劳短裂纹的萌生和扩展方式。试验结果表明,疲劳裂纹以滑移方式在孔壁与试样表面相交的棱上萌生;萌生期依赖于孔边应力幅的大小,与孔径无关。但疲劳裂纹扩展速率与孔边局部区域的应力分布有关。在孔边应力幅相同的情况下,孔边应力集中因子较大的试样裂纹扩展速率大,疲劳寿命分布带略低于孔边应力集中因子较小的试样。短裂纹阶段,疲劳裂纹以角裂纹的形式向内扩展;长裂纹阶段,疲劳裂纹以穿透裂纹的形式进行扩展。稳定扩展阶段疲劳裂纹以穿晶的韧性撕裂方式发展,但在靠近失稳扩展区域疲劳裂纹呈准解理断裂方式扩展。试验未观察到疲劳短裂纹群的连接与合并现象。     

升温与加载顺序对NiTi纤维圆柱体应力分布的影响

利用具有预应变NiTi纤维的圆柱体剪滞模型,在一定的简化条件下,求得纤维轴向应力及界面剪应力解析表达式.针对马氏体逆相变过程,在先加外载后升高温度与先升高温度后加外载两种条件下,对纤维和界面的应力分布以及马氏体逆相变开始温度的确定进行分析.计算结果表明,由于纤维轴向应力对相变温度存在影响,升温与加载的顺序不同其应力分布也不同.先加外载后升温时,NiTi纤维逆相变开始温度较高,逆相变过程较短,因此纤维轴向应力及界面剪应力较小.     

基于对称加载的均匀干涉配合铆接方法

铆接干涉量均匀度是影响飞行器装配接头疲劳寿命、结构铆接变形的重要因素之一。为了提高铆接干涉量均匀度,采用基于应力波加载的电磁铆接双面铆接方法,对对称加载的铆接工艺方法进行了研究。利用应力波传播和叠加原理对对称加载的钉杆应力水平进行理论分析,试验测量了电磁力应力波及其叠加效应。通过工艺试验和微观分析,研究了对称加载方法对铆接质量的影响。研究结果表明:对称加载方法下,双向应力波同步触发,脉冲宽度相等,钉杆理论应力水平高于单面加载;在对称应力波作用下,整体钉杆干涉量均匀,并形成有效干涉,钉头与夹层贴合紧密;对称加载钉孔绝对干涉量更大,平均干涉量大于单面加载14%,干涉量均匀度高出单面加载37.5%,有利于实现连接结构的疲劳寿命增益;对称加载方法引起的结构件铆接变形量小于单面加载,更容易保证装配件外形准确度。     

缺口件疲劳寿命预测新方法

采用有限元方法针对缺口件多轴疲劳实验结果进行模拟。结果表明,相同路径条件下,随着缺口半径减小缺口根部附近的应力梯度显著增加。基于缺口根部应变值,采用等效应变法进行疲劳寿命预测,预测结果随缺口半径的减小而偏于保守。采用应力梯度法确定有效距离,相同路径下,随着缺口半径的减小有效距离减小;依据该有效距离处的等效应变进行疲劳寿命预测,总体预测结果较为分散且偏于不安全。基于实验及有限元模拟结果,提出了基于应变梯度的有效距离确定的新方法,大部分疲劳寿命预测结果位于2倍分散带内。     

Analysis of crack opening stresses for center- and edge-crack tension specimens

Accurate determination of crack opening stress is of central importance to fatigue crack growth analysis and life prediction based on the crack-closure model. This paper studies the crack opening behavior for center- and edge-crack tension specimens. It is found that the crack opening stress is affected by the crack tip element. By taking the crack tip element into account, a modified crack opening stress equation is given for the center-crack tension specimen. Crack surface displace- ment equations for an edge crack in a semi-infinite plate under remote uniform tension and partially distributed pressure are derived by using the weight function method. Based on these displacements, a crack opening stress equation for an edge crack in a semi-infinite plate under uniform tension has been developed. The study shows that the crack opening stress is geometry-dependent, and the weight function method provides an effective and reliable tool to deal with such geometry depen- dence.     

涡轮盘销钉孔损伤容限分析新方法及其应用

本文提出温度及离心载荷作用下三维构件损伤容限分析方法。该方法采用新型双重边界元法分析温度及离心力载荷作用下的涡轮盘三维裂纹应力强度因子 (SIF) ,并结合 Paris公式及 Euler法获得涡轮盘销钉孔边裂纹扩展形状及裂纹扩展寿命 ,进而采用二次估计方法获得涡轮盘裂纹扩展寿命修正值。利用新型双重边界元法分析了销钉载荷、温度场、裂纹形状对轮盘孔边三维裂纹应力强度因子的影响 ,并对以往涡轮盘销钉孔边裂纹扩展寿命分析工程方法的近似性进行了讨论。文中算例表明采用本文方法分析复杂载荷三维裂纹扩展寿命具有效率高、建模方便的优点。     

A new analysis model for the effective stiffness of stiffened metallic panels under combined compression and shear stress

The paper deals with the analysis of the effective stiffness of stiffened metallic panels under combined compression and shear stress as used, e.g. in aircraft fuselages. An important criterion for sizing and certification of aircraft fuselages is the local and global buckling behaviour. For optimisation of stiffened metallic panels it is necessary to know the buckling and postbuckling behaviour as accurately as possible. Due to the fact that nonlinear FE analyses of a whole aircraft fuselage are too time consuming, a very fast quasi nonlinear FE analysis with a coarse mesh under consideration of semi-empirical methods for the effective skin-stiffness are used. At this point the effective stiffness method derived in this paper is used. Admittedly previous semi-empirical methods like the effective width method [J. Wiedemann, Leichtbau 1: Elemente, second ed., 1996; M.C.Y. Niu, Airframe Stress Analysis and Sizing, second ed., Commilit. Press Ltd., 1999] (only for pure compression load) or the method of Kuhn [P. Kuhn, J.P. Peterson, L.R. Levin, A summary of diagonal tension part I – methods of analysis, Technical Note 2661, NACA, 1952] (only for pure shear load) have disadvantages for the general combined compression and shear load case. This is improved in the current method.The first part of the paper deals with the realisation of the compression and shear test facility in a finite element model. The verification of the finite element model is important for subsequent parameter variations. The second part of the paper presents the approach of how to assess the effective skin-stiffness. In comparison to the paper in [M. Heitmann, P. Horst, D. Fitzsimmons, Effective stiffness of postbuckled stiffened metallic panels under combined compression and shear stress, J. Strain Anal. 38 (6) (2003) 534–555] many new parameters have been analysed. Therefore the new approach for the geometrically nonlinear analysis derived from the finite element results for combined compression and shear stress is considerably improved. At the end of the paper the great benefit of the new approach is shown. The results of very fast quasi nonlinear FE analyses under consideration of the new approach for the effective skin-stiffness on a coarse panel mesh agree well with the results of time expensive nonlinear FE analysis on a very fine panel mesh. Further studies are necessary to expand the new method to the influence of plasticity.     

典型机身框地板梁缘条裂纹修理损伤容限分析

采用简单有效的方法对复杂的飞机结构进行损伤容限评定具有重要的意义,提出一种简单有效的应力强度因子获取方法,并结合损伤容限分析的一般流程,分析某机身框地板梁缘条含裂纹修补结构的疲劳寿命及使用寿命期内结构的剩余强度。根据机身框地板梁结构受载特点建立简化的分析模型,计算单位载荷时不同长度下裂纹尖端应力强度因子,再由结构边界载荷与应力强度因子的关系确定无量纲应力强度因子;根据损伤容限分析方法编制程序,计算结构在飞行载荷谱下从初始裂纹扩展到临界长度的寿命及各裂纹长度下结构的剩余强度,给出结构检查间隔。结果表明:结构修补后的疲劳寿命及剩余强度均满足损伤容限设计要求。本文给出的损伤容限分析过程及方法可应用于工程中类似结构的损伤容限评定。     

Estimation method for random sonic fatigue life of thin-walled structure of a combustor liner based on stress probability distribution

As to the sonic fatigue problem of an aero-engine combustor liner structure under the random acoustic loadings,an effective method for predicting the fatigue life of a structure under random loadings was studied.Firstly,the probability distribution of Von Mises stress of thin-walled structure under random loadings was studied,analysis suggested that probability density function of Von Mises stress process accord approximately with two-parameter Weibull distribution.The formula for calculating Weibull parameters were given.Based on the Miner linear theory,the method for predicting the random sonic fatigue life based on the stress probability density was developed,and the model for fatigue life prediction was constructed.As an example,an aero-engine combustor liner structure was considered.The power spectrum density(PSD) of the vibrational stress response was calculated by using the coupled FEM/BEM(finite element method/boundary element method) model,the fatigue life was estimated by using the constructed model.And considering the influence of the wide frequency band,the calculated results were modified.Comparetive analysis shows that the estimated results of sonic fatigue of the combustor liner structure by using Weibull distribution of Von Mises stress are more conservative than using Dirlik distribution to some extend.The results show that the methods presented in this paper are practical for the random fatigue life analysis of the aeronautical thin-walled structures.     

航空发动机燃烧室外机匣瞬态动力分析

瞬态动力分析是确定随时间变化载荷作用下的结构响应的技术分析,输入数据作为时间函数的载荷,输出数据是随时间变化的位移和其它导出量,如应力和应变 [1].燃烧室外机匣是发动机承力和混合传力的重要部件,承受各种动态载荷,分析其瞬态振动位移及应力应变的变化很有必要.采用UG建模和ANSYS有限元分析相结合的方法对航空发动机燃烧室外机匣进行瞬态动力分析.结果显示,该方法是有效的.     

某型飞机前轮叉裂纹失效分析与解决措施

外场服役的两架某型飞机的前轮叉与活塞杆在连接孔上表面相同位置处出现了裂纹。断口分析表明,前轮叉裂纹为应力腐蚀裂纹,裂纹从内表面侧起源,并在应力作用下不断向外表面侧扩展．最终贯穿前轮叉与活塞杆连接处。同时,通过建立有限元模型对裂纹处应力分析,发现前轮又与活塞杆及螺栓之间的干涉量与干涉应力基本上呈线性关系,而且装配时摩擦系数对应力的影响可以忽略不计。由此得小轮叉出现裂纹的主要原因是轮叉与活塞杆及螺栓间的干涉配合在裂纹位置处造成的较大装配应力和腐蚀介质的作用引起的。因此．在装配过程中严格控制其干涉量,并提高轮叉表面的防护质量,是避免轮叉出现应力腐蚀裂纹的有效措施．