疲劳多裂纹扩展随机模型

建立了含相互干扰多裂纹结构的裂纹扩展随机模型.提出了远源裂纹、近源裂纹、概率寿命曲面等概念.给出了相互干扰多裂纹扩展随机微分方程的统一表达形式.在工程基本假设的基础上简化了相互干扰多裂纹扩展过程的计算.在此基础上可进一步分析含相互干扰多裂纹结构的可靠性,可直接应用于工程实践.     

疲劳裂纹扩展的不确定理论

在原有处理不确定问题的两种非概率方法的基础上,提出二阶区间分析方法和二阶凸模型方法,将不确定参数用区间或者凸集来描述;再利用Taylor级数展开法对含有不确定参数的裂纹扩展速率及寿命进行估计.同时给出传统的概率方法和两种不确定性方法的相互包含关系,对算例结果进行验证.通过对00Cr17Ni14Mo2材料裂纹扩展速率及寿命的计算,将区间分析方法、凸模型理论和传统的概率方法进行比较.结果表明,该理论在处理不确定问题时是有效的,且具有对统计信息依赖小,计算方法简便、实用和精度高的特点.      

以裂纹长度为参量的疲劳裂纹扩展随机模型

建立了以裂纹长度为参数的疲劳裂纹扩展随机模型，给出了计算给定初始裂纹长度（定值或分布）和临界裂纹长度时的裂纹扩展时间分布的方法，以及计算给定初始裂纹长度（定值或分布）和寿命时的裂纹长度分布的方法，并给出了相应的计算实例。     

疲劳多裂纹扩展随机模型的参数估计方法

建立了用试验数据估计疲劳多裂纹扩展随机模型参数的方法,尤其为利用现有的单裂纹扩展试验数据,建立了用不完全数据估计多裂纹扩展参数的方法,为含多裂纹结构的概率损伤容限分析作准备.应用最小二乘原理,讨论了完全试验数据-并联远源裂纹和完全试验数据-近源裂纹2种情况下裂纹扩展参数的估计方法,考虑了裂纹扩展试验的2种极限情况,给出了估计结果偏于保守的不完全试验数据-近源裂纹情况下的裂纹扩展参数的估计方法.完善了疲劳多裂纹扩展随机模型,为模型的工程应用打下了基础.      

耐久性分析相对小裂纹扩展速率公式的参数确定方法

结构细节相对小裂纹扩展速率公式是采用概率断裂力学方法进行结构耐久性分析的关键。针对目前需进行多个应力水平下的成组疲劳试验以确定相对小裂纹扩展速率公式适用范围和参数的问题,首先,通过将应力强度因子修正系数展开为多项式,基于材料稳定裂纹扩展段的裂纹扩展速率公式得到了耐久性分析的相对小裂纹扩展速率公式。然后,以受远场均匀拉伸载荷作用的中心圆孔板为对象,分别基于应力强度因子近似解和FRANC3D软件进行裂纹扩展分析,得到相对小裂纹尺寸范围及对应裂纹扩展参数的确定方法。最后,进行了3种试件在等幅交变应力下的耐久性试验,验证了该方法的正确性。      

温度/机械载荷作用下裂纹扩展的随机化分析

为描述温度/机械载荷共同作用下裂纹扩展速率,基于疲劳和蠕变裂纹扩展的线性叠加模型,给出了结合试验的修正方法.该方法根据试验结果提取新的材料参数,解决了原模型中由于交变载荷对蠕变裂纹扩展的影响所导致的材料参数不独立的问题.在此修正模型基础上,引入对数正态随机过程,建立了温度/机械载荷共同作用下的裂纹扩展随机模型,并采用泰勒级数展开法获得了指定裂纹长度下寿命分布和指定寿命下裂纹长度分布的表达式.通过算例比较随机模型和试验结果获得的寿命分布,证实了该随机化处理方法的可靠性.     

裂纹扩展阻力曲线与试样厚度关系

在有关裂纹扩展理论阻力曲线研究的基础上,给出了阻力曲线与试样厚度关系的数学表达式.利用少量试验结果,根据最小二乘方法即可确定表达式中的参量.通过这一表达式,可以计算任意厚度下的阻力曲线方程,从而获得该厚度对应的阻力曲线.这一数学表达式得到了试验结果的验证,并可补充现有手册中试验数据之不足.      

疲劳裂纹扩展随机过程相关参数的估计

对数正态随机过程模型是可靠性与损伤容限分析中常用的裂纹扩展随机模型.在裂纹扩展对数正态随机过程模型的基础上,建立了由试验数据估计一般平稳正态随机过程相关参数的方法.应用这种方法可以直接由试验数据估计随机过程的相关参数.同时,给出了用Monte-Carlo方法估算置信区间的方法.最后,给出了用具体试验数据,这组试验数据共有237个数据点,估计随机过程相关参数的算例.     

中碳回火钢疲劳小裂纹扩展微观特性的探讨

对超强钢(M4340)和中强钢(SCM435)[1]疲劳小裂纹扩展特性的分析表明,当微观结构以马氏体板条束为主,则微观结构小裂纹长度与原奥氏体晶粒或马氏体板条束尺寸都有很好的相关性,所以,减小这两种微观结构单元尺寸的冶金和热处理都可使微观结构小裂纹长度降低,从而改善材料的疲劳小裂纹扩展的抗力。     

裂纹扩展寿命安全可靠性分析模型研究

通过分析影响裂纹扩展寿命的多个随机因素,就目前较为常用的裂纹扩展寿命安全可靠性分析模型进行比较.在此基础上,本文提出了一种新的模型--裂纹扩展寿命~断裂韧度可靠性分析模型,该模型基于目前比较公认的裂纹扩展寿命分布和断裂韧度分布特性,为工程界进行含裂纹结构的概率损伤容限评估提供一定的理论依据.     

基于EMT采用FEM研究含裂纹介质中弹性波传播机制

了解和掌握弹性波在含有裂纹介质中的传播规律是开发利用页岩气等非常规油气资源中的关键科学问题.本文基于数值模拟的优点,采用商用有限元软件Nastran模拟弹性波在含裂纹介质中的激发及传播方式,分析了弹性波在该介质中裂纹微结构(密度和纵横比)对弹性波传播动力学特性的依赖程度.结果表明:有限元方法(FEM)可以用于该问题的研究;Hudson等效介质理论(EMT)不适用泊松比近0.5的材料;裂纹密度、纵横比的增大会减小纵波(P波)波速值,以及衰减位移时域响应的首波振幅,且裂纹密度对于该材料的各向异性的影响要远大于纵横比的作用.      

航空铝合金系列材料裂纹扩展性能的温度效应

高低温裂纹扩展性能是航空金属结构损伤容限设计的前提,为此,试验测定了3种系列的6种航空铝合金材料(2024-T351、2397-T8、6061-T651、7050-T7451、7050-T7452和7475-T761)在5种温度环境(-70、-54、25、125和150℃)下的裂纹扩展性能,观测了试验现象,并进行了性能对比分析和疲劳断口扫描电子显微镜(SEM)分析,研究了温度对航空铝合金材料裂纹扩展性能的影响机制,获得了具有工程参考价值的结果与结论:与25℃相比,低温下裂纹扩展阻力系数的对数值降低7%~15%,而高温下却增大5%~23%;低温下裂纹扩展指数增大7%~21%,而高温下却减少5%~34%;氢脆效应和高温氧化作用是导致裂纹扩展速率随温度升高而加快的主要原因。     

用广义扩展有限元计算界面裂纹应力强度因子

广义扩展有限元法(GXFEM)是一种结合广义有限元法和扩展有限元法特点的新的数值模拟方法。给出了分析双材料界面裂纹应力强度因子(SIF)的广义扩展有限元法的基本原理。提出了一种新的双材料界面裂纹尖端富集函数,将裂纹尖端富集函数由12项缩减为6项。双材料界面不连续,在常规有限元法的位移模式中加入基于水平集的富集函数,同时将裂纹单元结点和裂纹尖端单元结点自由度广义化,提高了计算精度。通过与文献结果的比较,表明了提出方法的精确度和可靠度。      

杆-梁和梁-梁组合结构中的波动现象

杆-梁结构和梁-梁结构都是典型的组合结构.用间接模态叠加法分析杆-Timoshenko梁之间以及两根Timoshenko梁之间的碰撞问题.在间接模态叠加法中,首先分别独立求得杆和梁的固有频率和模态函数,然后建立碰撞体和靶体之间的位移协调方程,并用逐步积分方法求解该方程.分析了纵波和剪切波在杆和梁中的传播特性.      

夹持边界条件下表面裂纹应力强度因子求解

为了进行试验室条件下表面裂纹扩展行为研究,需要进行试验机夹持边界条件下的表面裂纹应力强度因子求解.通过对夹持特点的分析,将其等效为均匀拉伸和弯矩的共同作用,并使得试件端部转角为0°.以自由均匀拉伸和纯弯载荷作用下表面裂纹应力强度因子解的Newman-Raju公式为基础,计算得到了等效模型弹性位能表达式,应用卡氏第一定理求得了弯矩与拉伸载荷的关系,采用叠加原理得到了夹持边界条件下表面裂纹应力强度因子解.为了验证解的适用性,采用Abaqus软件计算得到夹持边界条件下若干典型表面裂纹的应力强度因子数值解,对比表明了提出的应力强度因子解法是足够精确的.随后探讨了裂纹形状、试件长厚比等对夹持边界条件下应力强度因子修正因子的影响规律.     

航空结构件加工变形仿真关键技术

对航空结构件铣削加工变形仿真的关键技术进行了深入研究.编制残余应力施加通用程序,建立包含有初始残余应力的加工变形有限元预测模型;由于铣削加工,毛坯体变为薄壁工件,在进行有限元仿真过程中,提出体-壳单元与实体单元的混合单元建模方法,以提高计算效率及便于后续研究;针对工件与工作台单面约束的接触作用及其它工程中的类似单面约束问题,提出将工件视为弹性体,工作台视为刚性体,转化为接触方式进行纯压缩边界条件的模拟,对某典型工件进行了有限元仿真并与模态试验结果对比,验证了其有效性和准确性;基于生死单元技术进行材料去除模拟.通过上述关键技术的理论研究及应用,实现了航空结构件加工变形过程的有限元仿真.      

整体叶盘叶片焊缝裂纹相控阵超声检测

裂纹是线性摩擦焊整体叶盘结构制造过程中叶片焊缝区域常见的缺陷类型之一。由于叶片焊缝区域结构复杂且裂纹缺陷尺寸小,因此焊缝区域裂纹缺陷的检测难度大。为了满足新工艺的应用要求,研究了焊缝区域的相控阵超声全覆盖检测方法,建立了焊缝区域相控阵超声检测的有限元仿真模型,研究了裂纹特征参数和声束聚焦点位置对检测方案的影响,验证了检测方案的可行性与正确性。构建了机器人化的相控阵超声检测系统,模拟了声束在线性摩擦焊叶片试样中的传播过程,实现了对叶片中预制裂纹缺陷的识别。研究结果表明,设计的检测方案能够满足叶片快速检测的要求。     

模糊变分原理在求解结构固有频率中的应用

在处理含模糊参数的结构固有频率问题时,现有的方法局限于先将模糊参数转化为区间数求解,再由区间解构造出相应的模糊解.由于现有方法计算量较大,所以提出了基于模糊变分原理的模糊里兹法和模糊有限元法.通过在瑞利商变分中直接引入模糊参数,得到了结构固有频率问题的模糊变分原理.作为模糊变分原理的应用,推导了模糊里兹法和模糊有限元法.这两种方法都可以直接得到问题的模糊解,与传统的区间解法相比,提高了计算效率.算例表明,这两种方法不但具有较高的计算精度,而且可以很大程度上减少计算量.     

作大范围运动刚柔混合体的动力学建模与仿真

考虑耦合效应的柔性空间结构耦合动力学研究在航空航天领域具有重要的应用价值.用有限元法对柔性结构进行离散化处理,得到了柔性结构的模态阵.以模态展开方法以及Kane方程为理论基础,建立了作大范围运动刚柔混合体的动力学模型,并通过Matlab软件编写程序进行求解.为了检验该动力学模型及其程序的正确性,将Matlab仿真结果与商用软件仿真结果进行对照,进而验证了该仿真的正确性.本研究解决了中心刚体加柔性附件这一类航天器的动力学仿真问题.