基于平均扩展速率的裂纹扩展模型

不同于基于线弹性断裂力学（LEFM）的经典裂纹扩展模型,基于平均扩展速率的裂纹扩展模型通过形式简单的经验公式来描述随机载荷谱下单位飞行小时的平均裂纹扩展,该模型将随机谱当作"当量常幅谱"处理,模型中仅有两个特征参数,反映了所有复杂的载荷顺序效应及其他影响。基于该模型,进一步提出速率类比法则,可基于试验谱下扩展速率对未试验谱下扩展速率进行合理预测。首先介绍了基于Frost&Dugdale公式和基于Paris公式的平均扩展速率模型的内涵及参数推导方法,然后通过典型机身框关键部位模拟件在多种随机谱下的疲劳试验数据对平均扩展速率模型和速率类比法则进行试验验证。经对比分析,推荐使用基于Paris公式的平均扩展速率模型。经验证,采用基于Paris公式的模型和速率类比法则,可实现随机载荷谱下裂纹扩展速率和寿命的高精度预测。同时,速率类比法则的准确度与理论参数推导时选取的经典LEFM模型有关。平均扩展速率模型和速率类比法则为外场飞机单机寿命监控提供了一种可靠的疲劳寿命预测方法。     

随机谱中小幅载荷对裂纹扩展寿命的影响

采用7050-T7451铝合金标准中心裂纹拉伸试样进行随机谱载荷下的疲劳裂纹扩展试验,研究在不同低载截除水平、不同裂纹参考长度下,裂纹扩展寿命及其分散性的变化。采用F检验法,对不同载荷谱下的裂纹扩展寿命的方差及相同载荷谱,不同裂纹长度的寿命的方差进行检验。分析表明,第一级和第二级截除水平下的裂纹扩展寿命的分散性没有显著差别,当载荷截除水平提高到最大幅值载荷的21％时,寿命分散性显著变大;相同载荷谱下,不同裂纹长度对应的扩展寿命的分散性没有显著差别。试验结果也表明,本文所考察的3个水平的小幅值载荷对裂纹扩展寿命的均值有显著影响;因此,在损伤容限和可靠性分析中,这些小幅值载荷是不可忽略的。     

在航空载荷谱作用下2024铝合金的疲劳行为

研究了在航空载荷谱TWIST作用下2024铝合金的疲劳特性。对航空载荷谱进行简化处理,对比分析了理论推导、MATLAB程序模拟和疲劳试验给出的飞机疲劳寿命预测值,并微观观察疲劳失效断口特征,分析了失效机理。结果表明：理论推导、程序模拟和疲劳试验得到的疲劳寿命预测值分别为163800,158280和134249次飞行循环;程序模拟得到飞机巡航过程中实际阵风载荷和忽略极小波动载荷的疲劳寿命预测值分别为92314和92321次飞行循环;观察疲劳断口可以发现裂纹萌生形核起源于试验件近表面,疲劳裂纹的扩展以沿晶和穿晶两种方式进行,有明显的疲劳条带,在瞬时断裂区呈现韧窝形貌。     

疲劳裂纹扩展随机过程的统计分析

证明了两种疲劳裂纹扩展随机模型 (即以时间为参量的随机过程模型和以裂纹长度为参量的随机过程模型 )在描述裂纹扩展随机过程方面的统一性。建立了由试验数据估计平稳对数正态随机过程相关参数的方法,可以直接由试验数据估计疲劳裂纹扩展随机过程的相关参数。针对 4种机型含紧固孔试件谱载荷下的疲劳裂纹扩展试验数据,给出了用文中方法估计的相关参数和用随机模拟法估算的置信区间。     

金属加筋壁板疲劳裂纹扩展研究

进行了铝合金工字型长桁加筋壁板的疲劳裂纹扩展分析与试验研究。利用线弹性断裂力学和有限元法计算工字型长桁加筋壁板的应力强度因子,以NASGRO软件中的裂纹扩展率方程及考虑载荷交互作用的广义Willenborg模型为基础,利用循环接循环进行裂纹扩展计算寿命,并与试验数据相比较。结果表明,预测的寿命与试验结果吻合较好。     

复杂环境下的三维疲劳断裂

 以三维弹塑性断裂理论为基础,对复杂载荷、复杂环境作用下的金属材料和结构的疲劳、断裂的若干关键问题进行了概要分析。给出了由材料性能试验的标准试样结果预测结构中一般形态缺陷的三维破坏的最新结果,获得了对不同载荷条件下腐蚀疲劳裂纹扩展的统一描述,介绍了由裂纹扩展基准曲线预测谱载腐蚀疲劳裂纹扩展寿命的最新进展,对结构服役寿命/日历寿命研究方法作了探讨。     

腐蚀条件下铝合金疲劳裂纹扩展试验及模型

进行2024-T3铝合金标准中心裂纹拉伸试件4种典型环境下的裂纹扩展试验,以试验数据为基础,通过对一般环境下的裂纹扩展模型进行修正,建立腐蚀环境下的裂纹扩展模型.对试验结果的分析处理表明,该模型能够很好描述各种典型腐蚀环境下裂纹稳定扩展阶段的裂纹扩展速率,能够较准确估算裂纹扩展寿命,腐蚀修正系数清楚地反映腐蚀影响的程度.通过对单一介质环境腐蚀修正系数的加权组合,模型可以推广应用于复杂环境下裂纹扩展分析.该模型便于充分利用现有材料裂纹扩展性能的数据.     

基于小裂纹的2024-T3铝合金中心孔试样疲劳寿命预测

对2024-T3铝合金板材中心孔试样进行了疲劳裂纹扩展行为及寿命预测的理论和试验研究.采用疲劳条带与显微镜观测相结合的办法获得试样在块谱作用下孔边自然萌生裂纹扩展的α-N数据,并通过对断口的SEM观察获取试样的初始缺陷形状.利用基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析程序FASTRAN3.9对试样α-N数据进行反推,建立了描述孔边裂纹细节原始疲劳质量的当量初始缺陷尺寸(EIFS)分布.以该分布为基础,采用FASTRAN3.9对试样进行了恒幅载荷下试样的中值疲劳S-N曲线的预测,预测结果与试验验证结果吻合较好.     

飞机谱载荷下裂纹扩展的三维约束效应

研究裂纹端部三维应力约束、塑性约束和位移约束等对谱载疲劳裂纹扩展的影响。用适于三维应力状态的修正条带屈服模型 ( Modified Strip Yield Model)计算与裂纹扩展有关的三维约束因子。利用所得约束因子的理论解改进 NASA多年来发展的 FASTRAN-II寿命预测软件 ,使其避免了依赖经验确定的约束因子进行寿命预测的局限 ,仅利用一组常幅疲劳裂纹扩展数据和材料的常规机械性能便可预测飞机谱载下的裂纹扩展寿命。对多种谱型、应力水平、过载比和材料的组合情况进行了分析 ,预测寿命与试验结果吻合很好 ,证明本文方法和改进软件可以用于实际结构的寿命预测。     

喷丸处理构件疲劳寿命预测机理模型研究

提出了一种新的机理模型,该模型以喷丸处理构件裂纹扩展分析为基础,说明喷丸处理对机械构件疲劳寿命预测的影响。在裂纹扩展过程中,引入了表征表面粗糙度影响的渐进应力强度因子,并用时变残余应力函数改变裂尖应力比。用试验数据验证机理模型的有效性,结果表明,试验数据和模型预测非常吻合。     

SIMPLIFYING AND CONDENSING A SET OF RANDOM SPECTRA FOR TRANSPORT

ＳＩＭＰＬＩＦＹＩＮＧＡＮＤＣＯＮＤＥＮＳＩＮＧＡＳＥＴＯＦＲＡＮＤＯＭＳＰＥＣＴＲＡＦＯＲＴＲＡＮＳＰＯＲＴＺｈａｎｇＢａｏｆａ；ＦｕＸｉａｎｇｊｉｏｎｇ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｔｒｅｎｇｔｈ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵ...     

飞机疲劳载荷谱试验研究

介绍了在战斗机谱载作用下的30CrMnSiNi2A和LY12CZ试件的裂纹形成寿命试验,以及在运输机谱载作用下的30CrMnSiA和LY12CZ试件的裂纹扩展寿命试验。对影响疲劳寿命的主要参数,如高载截取、低载截除、载荷顺序以及不同载荷谱型对寿命的影响进行了讨论,得出了一些有重要意义的结论。     

断裂性能试验及裂纹扩展寿命分析

通过断裂性能试验确定了某型直升机部件金属材料的断裂韧性和裂纹扩展门槛值,采用多元线性回归方法拟合得到裂纹扩展速率方程的材料常数。采用不同的裂纹分析方法进行了损伤容限分析。研究结果表明：对此型直升机部件的金属材料来讲,应力强度因子变程门槛值对应的应力比上截止限取0．7是合理的;低于安全疲劳极限的小载荷对裂纹扩展寿命有较大影响,尤其是按安全疲劳极限截除小载荷对裂纹扩展寿命的影响是非常显著的,当截除标准低于0．8倍的安全疲劳极限时,裂纹扩展寿命的差别不是很显著。     

Simplification approaches for multi-level load spectra by using equivalent damage rule

Reasonable and effective fatigue load spectrum is key of aircraft structural fatigue test. Two kinds of load spectra simplification approaches based on statistical consistent fatigue damage model are proposed in the paper. One method is to simplify the original multi-level load spectra to spectral load with fewer level and was verified by the experimental data of five levels and seven levels load spectra. The equivalent damage here is not equivalent fatigue life, but equivalent number of spectral blocks. Moreover, it was proved that a section of low stress load cannot be converted into the highest stress load considering equivalent damage. The other is to convert the life distribution under multi-level load spectra into that of constant amplitude spectrum according to a certain principle, that is, equivalent damage is achieved through equivalent fatigue life, and two groups of three levels spectral data were used for experimental verification. The results show that equivalent damage simplification approach of multi-level load spectra is feasible, and it achieve that the damage of one loading block before and after the simplification is equal in probability statistics. The life distribution of load simplified as constant amplitude spectrum is consistent with test data. The simplification method presented in this paper can be generalized and is a predictive engineering method which does not depend on experimental data.     

基于损伤等效的多轴疲劳试验谱编制研究

针对多轴载荷下多危险点单轴应力破坏模式,以损伤等效为基础,提出了一种多轴载荷下的疲劳试验载荷谱编制方法.该方法首先对最危险点处的应力应变历程进行雨流计数,对得到的应力应变循环按幅值进行分组统计,再根据损伤等效原则对各组进行循环载荷搜索,最后将各组搜索到的包含一定次数的循环载荷按顺序连接起来,即为疲劳试验谱.试验结果分析表明,该方法定量地保证了试验载荷谱与原载荷谱的疲劳损伤一致,操作简单可行.      

Influence of Low Load Truncation Level on Crack Growth for Al 2324-T39 and Al 7050-T7451

Tests with middle-crack tension (M(T)) specimens made of Al 2324-T39 and Al 7050-T7451 are conducted to investigate the influence of low load truncation level on fatigue crack growth. The six different truncated spectra are obtained by removing the small cycles of which amplitudes are less than the specified percentages of the maximum amplitude in the basic flight-by-flight loading spectrum and the remainder of the spectrum is untouched. The tests indicate that the mean level of fatigue crack growth life (FCGL) increases as the load truncation level is enhanced. Considering both the time saving and the influence on FCGL, there is an applicable choice (i.e. spectrum S2 or spectrum S3 in this investigation) for full scale fatigue test. The scatter of FCGL becomes much larger than that under the basic spectrum when the load truncation level is increased to a specified high level, mainly due to the occurrence of crack slanting and branching under the high level truncated loading spectra.     

随机谱下裂纹扩展统计模型

结合断裂力学及概率随机过程理论,应用概率断裂力学方法研究随机谱下裂纹扩展的随机性。提出一种裂纹扩展统计模型预测裂纹随机扩展的统计分布特性。预测结果与大子样随机谱下裂纹扩展试验结果吻合良好。     

综合考虑载荷谱和结构特性分散的概率断裂力学方法

在飞机结构的设计定型阶段,要综合考虑载荷谱和结构特性的分散评估机群的可靠寿命。为此,进行了某型飞机结构细节的TA15M钛合金模拟试件在3个单机谱下的耐久性试验,断口判读得到主裂纹扩展(a,t)数据,反推得到了当量初始缺陷尺寸(EIFS)。对比分析表明,载荷谱分散对EIFS分布参数无影响,估计得到了通用EIFS分布参数。建立了考虑载荷谱分散的裂纹扩展对数正态随机变量模型及参数估计方法,由此确定裂纹超越概率并进行损伤度评估,建立了综合考虑载荷谱和结构特性分散的概率断裂力学方法(PFMA)。