镍基单晶合金涡轮叶片榫头裂纹尖端应力场及扩展趋势

采用率相关晶体滑移有限元程序,考虑单晶材料晶体取向的影响,对镍基单晶合金涡轮叶片榫头裂纹特性进行有限元分析.分别计算了榫头裂纹在各向同性条件以及{001},{011},{111}三种不同晶体取向下裂纹尖端的Mises应力分布,并判断了裂纹的扩展趋势.结果表明:镍基单晶合金涡轮叶片在{001}[110],{011}[110],{111}[110]取向下的裂纹尖端均存在着明显的应力集中和较大的应力梯度,应力的最大值存在于裂纹尖端;{001},{011},{111}三种不同晶体取向的裂纹尖端的扩展开裂角分别为45°,54.7°,90°,说明镍基单晶合金涡轮叶片的裂纹扩展趋势受晶体取向的影响较大.      

镍基单晶合金气冷叶片模拟试样的蠕变性能研究

对带孔和不带孔的某第二代镍基单晶合金平板试样进行了蠕变性能试验研究与有限元对比计算.高温蠕变试验表明, 平板试样的晶体取向和是否开孔对蠕变寿命有明显的影响.气膜孔导致蠕变寿命的降低, 对[001]取向的影响大于[111]取向.在高温低应力条件下, [001]取向的蠕变性能要优于[111]取向.有限元分析结果表明, 气膜孔改变了试样中的应力分布, 在孔附近产生了高应力, 导致模拟试验蠕变寿命的降低.有限元计算蠕变持久寿命与试验结果吻合, 说明采用基于分切应力的蠕变持久寿命计算模型是合理的.      

锻造TC4钛合金电子束焊接接头的疲劳破坏机制

对锻造TC4钛合金电子束焊接(EBW)接头进行了应力控制的高周疲劳试验和应变控制的低周疲劳试验,利用扫描电子显微镜对疲劳断口进行观察与分析,研究了疲劳裂纹的起裂机制.研究结果表明:所有的高周疲劳试样裂纹起裂位置和最后断裂位置均发生在母材区,而低周疲劳试验试样断裂位置表现出不确定性,在焊缝区和母材区均可导致裂纹起裂.高周疲劳载荷下,裂纹起源于表面滑移;低周疲劳时,裂纹可能在接头母材区的表面起裂,也可能在接头焊缝的内部缺陷处起裂,裂纹起裂模式取决于载荷大小.      

延性材料断裂准则与平面应变断裂韧度

延性材料的临界断裂规律对结构完整性评价和金属塑性成形分析具有重要意义,但相关的弹塑性断裂强度研究长期存在瓶颈。本文针对30Cr2Ni4MoV低压转子钢和3Cr13不锈钢,完成了不同应力三轴度的4类试样拉伸破坏试验,基于FAT （Finite-element-analysis Aided Testing）方法,通过有限元迭代分析实现试样的载荷-位移关系逼近,进而获得材料直至断裂的全程等效应力-应变关系,并以此通过有限元正向分析获取4种试样的临界断裂阈值和临界应力三轴度,提出了基于临界断裂单元的应力三轴度与第一主应力阈值之间的对数型断裂强度准则。结果表明,2种材料、4类试样的FAT阈值分析结果与断裂强度准则符合良好。最后,基于断裂强度准则提出了依据I型裂纹尖端的应力分布预测材料平面应变启裂断裂韧度的新方法,并获得了30Cr2Ni4MoV低压转子钢和3Cr13不锈钢的平面应变启裂断裂韧度,结合临界断裂准则和裂纹静态扩展机理,提出了I型裂纹的材料J阻力曲线的理论预测方法,并给出了30Cr材料的预测结果。     

带止裂筋整体翼梁结构的破损安全分析与试验

为了研究带止裂筋整体翼梁结构的裂纹扩展特性,采用ANSYS有限元软件对裂纹尖端应力强度因子进行数值计算,对缩比试验件进行疲劳裂纹扩展试验,当裂纹扩展到止裂筋前时进行剩余强度试验。结果表明:在梁缘条和蒙皮断裂情况下,止裂筋能够降低梁腹板上的应力强度因子幅值,对裂纹扩展起到拟制作用,其能够承担较大的静载荷从而实现破损安全设计,但是用止裂筋阻止疲劳裂纹扩展的效果并不显著;与梁弯曲产生的正应力相比,腹板上的剪应力不足以驱动Ⅱ型裂纹扩展。     

基于晶体塑性的涡轮盘短裂纹扩展模拟方法

针对低周疲劳载荷下发动机涡轮盘早期短裂纹扩展行为,提出适用于工程结构的耦合晶体塑性（CP）理论和扩展有限元方法（XFEM）的多晶短裂纹模拟方法。该方法采用晶体内总累积分解切应变作为裂纹扩展判据并使裂纹沿最活跃滑移系对应的滑移平面传播。框架采用子模型技术/分区域网格细化以及宏-介观本构结合的方法解决真实工程结构和微观模型尺度不匹配的问题,在可接受的计算代价下预测了涡轮盘危险截面处的短裂纹扩展路径及速率。结果表明该结构内早期裂纹生长路径及速率受到晶体取向的影响而出现较大分散性,同时验证了基于CP-XFEM的框架在预测工程结构短裂纹扩展寿命及分散性上的可行性。      

晶体取向的偏差和随机性对镍基单晶叶片强度与蠕变寿命的影响

本文提出双参数蠕变损伤模型用以模拟镍基单晶合金叶片的强度和寿命。该模型得到单轴应力状态和模拟叶片、双剪切试样复杂应力状态的考核。叶片分析表明:单晶叶片轴向的偏角增大,强度的分散性变大。两个不受控的晶体取向变化时,滑移系的分切应力最大有15%的变化;轴向的偏角的增大,寿命的分散性变大,15°的偏角,寿命偏差6倍。两个不受控的晶体取向变化时,寿命有50%的变化。结果表明:对叶片进行3维取向优化,可以提高叶片的蠕变寿命。      

镍基高温合金紧凑拉伸试样侧槽优选研究及试验

为了获得平直的紧凑拉伸(Compact Tension,CT)试件裂纹扩展前缘,对带侧槽CT试样的侧槽进行参数化表征,采用有限元方法研究侧槽对裂纹尖端应力强度因子的影响规律,对CT试样的侧槽进行优选。获得了使CT试样裂纹尖端应力强度因子沿厚度方向方差小于0.1(MPa·m1/2)2的侧槽形状。与标准CT试件裂纹扩展试验对比,结果表明,优选的带侧槽CT试件沿厚度方向裂纹扩展更为均匀,方差为标准CT试件的30%。为了研究电位法经验公式计算带侧槽CT试样裂纹长度的适用性,进行了对比分析。结果表明,对于带侧槽CT试件,利用非线性公式计算的裂纹长度与试验结果误差最小,不超过0.7%。优选侧槽CT试样裂纹扩展更平直;电位法测量带侧槽CT试件裂纹长度,非线性公式计算裂纹长度的误差更小。     

DD6镍基单晶合金气膜孔薄壁平板高温蠕变性能

采用气膜孔薄壁平板试样模拟冷却叶片,并与无气膜孔薄壁平板试样蠕变试验结果进行对比,研究了气膜孔对镍基单晶合金冷却叶片模拟试样高温持久断裂寿命的影响.试验结果表明:在950℃和377MPa条件下,无气膜孔薄壁平板试样的高温持久断裂寿命大约是气膜孔薄壁平板试样的2倍,扫描电镜(SEM)断口分析可以看出蠕变损伤首先发源于气膜孔周围并在气膜孔边缘开始起裂.基于晶体塑性理论建立单晶材料蠕变数值计算模型,将其编入Abaqus用户子程序中,对气膜孔和无气膜孔两种薄壁平板试样进行模拟分析.模拟结果显示在气膜孔周边存在应力集中和应力重分布,数值模拟分析结果与试样的断口表面形貌吻合.为便于工程应用,将高温持久断裂寿命与十二面体滑移系最大分切应力幅表达成指数关系,蠕变试验结果表明此式在该应力、温度条件下具有良好的精度.     

基于材料微观特性的涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数值仿真

 为了研究材料微观特性对结构疲劳寿命的影响,根据Tanaka-Mura疲劳裂纹萌生寿命计算理论,模拟某镍基粉末合金涡轮盘喉道表面疲劳裂纹萌生寿命。利用泰森多边形生成法,模拟微观多晶结构,建立宏-细观模型相结合的三维仿真模型。实现3项关键技术:1)在三维模型中模拟了面心立方晶体中{111}面族的12条主滑移系;2)应用缺口根部裂纹萌生的Tanaka-Mura理论模型模拟一条微裂纹在另一条裂纹尖端萌生;3)模拟了微裂纹的起裂、扩展与联合过程,最终形成一条宏观裂纹。对某表面带刀痕涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数值仿真结果与真盘试验结果相差20%。研究表明,减小晶粒尺寸、降低表面粗糙度、形成表面压缩残余应变以及析出沉淀颗粒都有利于提高涡轮盘的疲劳裂纹萌生寿命。     

双向受载裂纹板的胶接修补效果分析

运用有限元方法,分析了双向受载裂纹板胶接复合材料补片后,裂纹尖端的应力强度因子、补片内的最大拉伸应力和胶层内的最大剪切应力。没有补片时,平行于裂纹方向的拉压应力对裂纹尖端的应力强度因子没有影响。而裂纹板经复合材料补片胶接修补后,平行于裂纹方向的拉压应力对裂纹尖端的应力强度因子具有耦合效应,并且这种耦合效应的大小与补片的铺层含量有很大的关系。     

选区激光熔化TC4小裂纹扩展特性数值模拟

发展了一种考虑微观组织的选区激光熔化（SLM）钛合金TC4小裂纹扩展数值模拟方法。基于SLM TC4的微观组织观测结果,利用Voronoi算法并通过晶体取向筛选,实现了微观组织建模。在此基础上,采用扩展有限元法建立了SLM TC4材料小裂纹扩展行为模拟方法,探究沉积方向以及晶粒尺寸、晶体取向等微观组织对小裂纹扩展速率的影响规律。结果表明:沉积方向影响材料的裂纹扩展抗力,沉积方向与裂纹扩展方向平行时,材料抵抗疲劳小裂纹扩展的性能相对更好。晶粒尺寸影响小裂纹扩展速率,晶粒尺寸越大,小裂纹扩展速率越快。晶体取向影响速率的波动性,不同晶体取向材料的小裂纹扩展速率上下界有明显差异。      

晶体取向对第四代单晶高温合金DD15高周疲劳性能的影响

在定向炉中分别采用籽晶法制备了[001]、[011]和[111]3种不同取向的第四代单晶高温合金DD15,在800℃研究了不同取向的高周疲劳性能,分析了合金不同取向的显微组织、疲劳断口形貌和疲劳断裂组织.结果表明:在凝固方向横截面上不同取向合金的铸态枝晶和热处理γ′相组织明显不同.合金800℃的高周疲劳性能存在各向异性...     

模拟镍基单晶合金复杂应力状态试样型式分析设计

计算分析指出对于以滑移为基本变形机理的镍基单晶合金，受拉扭外载的薄壁圆筒试样其滑移分切应力沿周向不再均匀分布，平板剪切试样其受剪面处于正应力和剪应力共用作用，都不适宜作为复杂应力状态试样。带缺口双剪试样适合于模拟复杂应力状态，但缺口的大小和形状影响受剪面的应力分布。本文在数值计算的基础上，给出了最适宜的试样尺寸及变形量的计算公式；针对国产DD3单晶，进行了初步的试验。     

幂硬化材料平面应力裂纹稳定扩展的有限元模拟

对幂硬化材料中平面应力Ⅰ型裂纹的稳定扩展进行了有限元模拟。计算中采用了逐步释放裂尖节点力法和子结构方法并配合裂尖附近高密度的网格划分,获得了有关裂尖应力变形场、塑性区尺寸、裂纹开口位移、裂纹扩展阻力等大量资料。计算结果还证实了部分已有的裂尖场渐近解。     

含裂纹板的复合材料胶贴修补分析

 对以纤维增强复合材料为补钉的含裂纹金属板的胶贴修补采用8结点等参元计算了胶贴修补后裂纹前缘应力强度因子及胶层剪应力分布等,并就补钉位置、刚度比及胶层厚度等因素对止裂效果的影响作了分析研究。通过修补前后裂纹扩展速率对比试验,验证了本文计算方法的正确性。方法及结论为实际结构的复合材料胶贴修补提供了理论依据。     

双轴载荷下孔边疲劳裂纹的扩展

 在AISI316奥氏体不锈钢制成的十字形带中心孔（圆孔和椭圆孔）试件上进行的双轴载荷疲劳裂纹扩展试验表明:应力双轴性对疲劳裂纹扩展的影响,仅发生在靠近开孔的局部区域内。等双轴应力较单轴应力状态下的裂纹扩展速率减慢,而纯剪切状态下的裂纹扩展速率加快。在孔的影响区之外,所有的结果服从Paris规律,与应力双轴性无关。