飞机薄壁结构面外载荷下三维疲劳裂纹扩展仿真分析

飞机结构中部分薄壁结构在服役中不可避免地承受面外弯曲载荷,这对飞机的安全性有显著影响。采用FRANC3D 和ABAQUS 联合仿真的方法,对薄板受弯曲载荷作用下的疲劳裂纹扩展行为开展研究,分析边界约束强度和初始裂纹形状对此类疲劳裂纹扩展模拟的影响,并评估仿真方法的适用性。结果表明：模拟中施加较弱的边界约束,会使计算的应力强度因子增大;相比于初始非孔边的表面裂纹,初始孔边角裂纹在裂纹扩展初期扩展速率更高;现有的FRANC3D 和ABAQUS 联合仿真的方法在模拟面外弯曲载荷下薄板孔边裂纹扩展时,存在受压面裂纹无法扩展的问题。     

基于FRANC3D的飞机蒙皮谱载疲劳裂纹扩展分析

为了研究飞机蒙皮谱载疲劳裂纹扩展情况,建立含裂纹蒙皮有限元模型,利用FRANC3D裂纹分析软件计算蒙皮三维裂纹前缘应力强度因子,研究不同网格参数对计算结果的影响,并与解析解进行比较,确定裂纹前缘网格参数取值范围,然后对蒙皮表面裂纹在随机疲劳载荷谱下的裂纹扩展过程进行分析,得出裂纹扩展长度-载荷循环次数曲线,该曲线对于采用数学模型评估结构剩余寿命方面具有一定的参考价值。     

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.     

火焰筒掺混孔边裂纹萌生和扩展机理研究

利用有限元法，结合瞬态传热过程研究了火焰筒掺混孔内孔边裂纹形成和扩展机理，应用应变疲劳理论和裂纹扩展分析方法对裂纹萌生时间和扩展能力进行分析。由于火焰筒在热循环载荷作用下各处升温速度不一致．引起结构上的相互约束，使掺混孔边产生循环塑性变形导致疲劳裂纹萌生；裂纹萌生后会继续扩展，但这种扩展能力有限；孔边冷却区域大小会对裂纹扩展能力产生较大影响。     

基于粒子滤波的结构疲劳裂纹扩展动态贝叶斯推断方法

准确预测结构的疲劳裂纹扩展过程是开展飞机单机寿命监控与剩余寿命估算的基础。提出一种基于动态贝叶斯网络的结构疲劳裂纹扩展预测方法,结合疲劳裂纹扩展的先验知识与后验知识来准确地推断裂纹长度;研究粒子滤波算法中不同粒子数对动态贝叶斯网络推断精度的影响规律;通过对单孔板结构与耳片连接结构件在随机载荷谱下进行裂纹扩展研究。结果表明：动态贝叶斯网络方法可以对复杂结构的疲劳裂纹扩展进行准确预测,预测精度相对于传统方法提高50% 以上。     

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。     

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。     

弯曲载荷下薄壁结构疲劳裂纹扩展性能

对某飞机座舱盖侧型材与锁环连接部位的疲劳裂纹扩展性能进行了研究。该结构区别于常见薄壁结构的特征是承受较大的弯曲载荷,使得利用薄板I型裂纹扩展的常用方法进行寿命分析会产生较大的误差。为了研究弯曲载荷下薄壁结构的疲劳裂纹扩展性能,开展了带孔板和侧型材结构模拟件的疲劳裂纹扩展试验。通过有限元仿真分析,研究了弯曲载荷对裂尖应力强度因子的影响,提出了一种当量应力强度因子变程公式;对本文所涉及的2种类型受弯曲载荷作用的试件,裂纹扩展寿命预测结果与试验吻合较好。研究表明,在相同的名义应力和裂纹长度下,薄板受弯时裂纹应力强度因子、裂纹扩展速率远低于受拉的情况;结构受到弯曲载荷时,锁环对连接部位的应力有显著的抑制作用,可以减缓疲劳裂纹的扩展;此外,合理的结构设计能够增加关键部位受弯时的疲劳裂纹扩展寿命。     

基于小裂纹理论的GH4169高温合金的疲劳全寿命预测

将基于小裂纹理论的疲劳全寿命预测方法应用于恒幅载荷作用下的高温合金GH4169材料的全寿命预测。采用单边缺口试样研究了该合金在室温下应力比为0.1和0.5的自然萌生的小裂纹的起始和扩展行为,结果表明疲劳小裂纹均起始于试样表面夹杂,并且小裂纹扩展寿命占疲劳全寿命的大部分比例。在裂纹扩展速率da/d N低于10-5mm/cycle的区域,表现出明显的小裂纹效应。基于小裂纹和长裂纹的扩展数据,利用Newman裂纹闭合模型,获得了裂纹扩展的da/d N-ΔKeff基线数据。对高周疲劳试样的断口形貌进行观察,得到以材料夹杂尺寸作为初始裂纹尺寸的值ai。根据初始裂纹尺寸和裂纹扩展的基线数据,利用FASTRAN软件,对GH4169合金的疲劳全寿命进行预测,并用高周疲劳试验S-N数据对预测结果进行评价,预测与试验结果能够很好地吻合。     

平稳随机载荷历程下的疲劳裂纹扩展规律预测

工程中多数裂纹构件的受载是随机的,为了更合理、更准确地预测出服役裂纹构件的剩余寿命,针对裂纹构件承受平稳随机载荷且载荷历程的具体特征、载荷水平及载荷作用频度未知的情况,提出了一种预测疲劳裂纹扩展寿命的新方法。该方法根据一段时间对裂纹扩展情况的跟踪观测,推断裂纹扩展规律,实现疲劳裂纹扩展剩余寿命预测。根据应力大小与载荷作用频度是否均已知,将该方法分为两阶段观测法与单阶段观测法。结合一个具体的工程案例,详细阐述了该方法的应用,且验证了其可行性。所提出的方法应用方便、操作简单,可作为工程中预测疲劳裂纹剩余寿命的一种依据。     

多孔多裂纹平板的疲劳裂纹扩展试验与分析方法

飞机结构广布疲劳损伤是目前大型客机损伤容限设计与分析的难点。通过试验研究了典型多孔多裂纹2024-T3铝合金平板的裂纹扩展行为。试验结果表明：相邻孔边裂纹之间的相互干扰明显降低了共线多裂纹平板的疲劳裂纹扩展寿命。就本文研究的典型多孔板,所有孔边都出现了等长裂纹这一极端情况,其裂纹扩展寿命是单孔平板孔边裂纹扩展寿命的10%左右。本文采用Eshelby夹杂理论和权函数法给出了典型多孔多裂纹问题的应力强度因子近似解析解,并结合Paris裂纹扩展公式预测疲劳裂纹扩展寿命。与采用有限元法获得应力强度因子并预测多孔多裂纹板的疲劳裂纹扩展寿命进行对比,对比结果表明：采用解析解和有限元解获得的应力强度因子预测的疲劳裂纹扩展寿命与试验结果吻合良好;相比于有限元法,本文的应力强度因子解法简单、高效,将有助于飞机结构多位置损伤（MSD）的疲劳裂纹扩展寿命预测分析。     

基于剩余强度和裂纹扩展寿命模型的可靠性分析

对剩余强度可靠性模型和裂纹扩展寿命可靠性模型进行比较分析,结果表明,两种模型在理论上是相容的,但两种模型在物理意义上是不同的,剩余强度模型是根据结构剩余强度与载荷之间的关系,比较直观地给出了结构可靠性的计算方法,即通过在载荷谱作用下裂纹尖端应力强度因子应小于材料的断裂韧度建立安全余量。裂纹扩展寿命模型是根据裂纹扩展寿命小于给定的寿命建立安全余量从而计算可靠性的方法,由于裂纹扩展寿命不如裂纹长度直观,可以通过寿命与裂纹长度的关系,转化到根据裂纹长度求解可靠度。由于剩余强度可靠性模型表达式较复杂,可以考虑对该模型的求解采用Monte-Carlo模拟法,免去了复杂的推导过程,对裂纹扩展寿命可靠性模型的求解采用了均值一次二阶矩法,该方法省去了繁琐的计算过程,近似求解可靠度,并能保证一定的精度。     

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。     

三维广布裂纹疲劳扩展分析

 飞机结构表面由于腐蚀、疲劳等原因存在三维广布裂纹,相邻裂纹在疲劳载荷作用下相互影响、相互促进,从而加速了结构破坏。为了探讨并求解三维广布裂纹结构的疲劳寿命,选取表面有两个半椭圆形表面裂纹的有限厚矩形板为计算模型,采用参数化有限元方法,求解裂纹前沿的应力强度因子、裂纹扩展方向和裂纹扩展增量,建立并应用应力强度因子变化历程,采用循环接循环损伤累积方法,对结构在疲劳载荷作用下的寿命进行了预测。预测结果为复杂环境中三维广布裂纹飞机结构的寿命评估提供了参考。     

冷挤压孔边残余应力场中裂纹的应力强度因子

 本文给出了复杂应力场中圆孔边穿透裂纹问题的权函数解析解和各种基本载荷作用下孔边裂纹的应力强度因子计算公式。并据此计算了冷挤压孔边残余应力场中裂纹的应力强度因子,进而讨论了裂纹在外载荷和残余应力共同作用下疲劳扩展的特点。     

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。     

某型号机轮轮毂的疲劳全寿命分析

根据某型号轮毂的强度分析结果,对该型号轮毂进行疲劳损伤分析和损伤容限分析,得到其裂纹生成寿命和裂纹扩展寿命。运用Workbench对轮毂的所有载荷工况进行有限元强度分析和疲劳损伤分析,将运用损伤累积理论计算结果与仿真结果进行对比;对产生初始裂纹的轮毂进行损伤容限分析,得到其裂纹扩展寿命。结果表明,该型号机轮轮毂的疲劳危险部位为胎圈座,轮毂疲劳寿命满足设计要求,损伤的理论计算值和仿真结果偏差很小。     

谱载荷作用下的疲劳裂纹扩展寿命

本文根据过载迟滞效应中产生推迟延缓的机理,得出了计算推迟延缓参数的公式。提出了对拉伸过载和拉-压过载作用下的裂纹扩展计算模型。用本模型可以计算复杂谱载荷作用下的疲劳裂纹扩展寿命。本文计算了几种材料在不同加载条件下的迟滞效应。计算了飞机机翼加劲板和飞机起落架旋转臂在复杂谱载荷作用下的疲劳裂纹扩展寿命。计算结果与实验结果相当符合。     

镍基高温合金GH4169小裂纹早期扩展的原位疲劳试验

通过原位扫描电子显微镜(SEM)疲劳试验,研究了直接时效GH4169高温合金在室温下的疲劳小裂纹萌生和早期扩展过程.结果表明:在应力比R=0.1的拉-拉疲劳载荷作用下,疲劳小裂纹的萌生寿命仅为全寿命的20%左右.疲劳小裂纹起源于表面夹杂,以半椭圆表面裂纹形状扩展,扩展后期穿透试样一侧形成角裂纹,角裂纹迅速扩展导致试样断裂.疲劳小裂纹的早期扩展易受局部微观结构的影响,扩展速率分散性较大.      

航空用超高强度钢疲劳裂纹表面长度与内部长度之间的关系

采用扫描电镜原位观测的方法,跟踪观察了低周疲劳载荷作用下超高强度钢中AlN夹杂导致裂纹萌生与扩展的微观行为,得到了材料疲劳裂纹表面长度与内部长度之间的关系,可以根据实际检测到的材料或者结构疲劳裂纹表面长度计算其内部长度,并估算其剩余寿命.