微动疲劳结构应力强度因子有限元分析

 采用ABAQUS软件建立了铝合金的圆柱/平面接触微动疲劳结构有限元全局模型和子模型,运用该模型将计算的应力值与解析解进行比较,结果相当吻合,证明了本文有限元模型及方法的有效性。最后在FRANC2D/L中用接触区的正应力和剪应力代替压头,重建子模型。通过分析得到了不同影响因素下应力强度因子（SIF）随裂纹扩展历程变化规律的曲线。结果表明,外加循环应力是影响SIF的最主要因素,SIF随循环应力的增加而增加。在微动疲劳影响深度区内,SIF随接触压力P、摩擦因数f以及Q/(fP)（Q为切向力）的增加而增加。Q/(fP)的影响最大,摩擦因数的影响最小,接触压力介于二者之间;超过该深度,SIF对其不再敏感。     

几何参数对涡轮榫连接微动疲劳寿命的影响：仿真

基于涡轮榫连接结构高低周疲劳试验结果，确定微动疲劳损伤控制参量并建立寿命预测模型。建立涡轮榫连接结构的参数化模型，开展有限元计算，结合试验数据分析了等效应力、接触压力、摩擦力、滑移量等多种损伤参量与微动疲劳寿命的相关性，发现综合考虑疲劳和磨损的FFD(fretting fatigue damage)参量与寿命的相关性最高，相关系数达97%。基于幂函数形式拟合了FFD参量与微动疲劳寿命的关系式，榫连接结构的微动疲劳寿命预测误差在1.5倍分散带内。开展了FFD参数对几何参数的敏感性分析，从数值仿真角度获取不同几何参数对微动疲劳寿命的影响规律：微动疲劳寿命对压力角最敏感，且呈现负相关性。     

高温不锈钢与钛合金微动疲劳特性的实验研究

用桥式试样研究了接触压力、微动幅度、温度、循环次数、高低周载荷幅值比等参数对微动疲劳寿命影响。结果表明拉应力和法向压力均影响微动疲劳寿命。当拉应力较大时,微动疲劳寿命（FFL）与普通疲劳寿命（PFL）相差不大,法向压力的影响不明显;拉应力较小时,FFL显着低于PFL,且法向影响显着。FFL随法向压力增加而降低,但当超过200MPa后,反而提高。高低周幅值比的增加,FFL大幅度降低。当幅值比为0.125,从室温到450℃,PFL持续降低。而FFL从室温到200℃降低幅度较大,在300℃左右恢复,随后又降低。研究表明FFL的恢复是微动表面形成了防护性釉质层的结果。     

ZSGH4169榫连接结构微动疲劳试验

针对航空发动机热端部件涡轮盘榫连接结构微动疲劳现象展开研究,开展了ZSGH4169镍基高温合金榫连接结构在不同温度和不同载荷下的微动疲劳试验。试验发现:在不同工况下,微动疲劳裂纹均产生在榫槽接触区的下缘,且两侧均有裂纹产生。榫连接结构微动疲劳寿命随着试验温度的升高,微动疲劳寿命显著降低;随着载荷的增加,微动疲劳寿命显著降低。温度和载荷都会对滑移幅值产生影响,且微动疲劳寿命随着滑移幅值的增加而降低。使用包含微动疲劳参数的高温微动疲劳寿命预测模型来对ZSGH4169微动疲劳试验进行验证,预测寿命均在2倍误差带内。      

微动疲劳影响因素及钛合金微动疲劳行为

综述了影响材料微动疲劳 ( FF)行为的各因素及其相互联系,通过实验探讨了接触压力、位移幅度、接触几何及残余应力状态等重要因素对 Ti6Al4 V合金 FF行为的影响规律及交互作用。结果表明,钛合金 FF寿命随接触压力和位移幅度的变化均是非单调性的,原因是名义接触压力的变化改变了接触区应力分布、应力集中状况和微动位移幅,从而影响裂纹的萌生几率,而位移幅影响了疲劳和磨损因素在 FF过程中的作用主次。接触几何则通过改变接触区应力集中状况而影响裂纹萌生几率的大小。残余压应力主要抑制 FF裂纹扩展,在部分滑动条件下它对提高钛合金 FF抗力的作用更加显著。     

基于连续介质损伤力学的高温微动疲劳寿命预测模型

建立了一种基于连接介质损伤力学(CDM)的高温微动疲劳寿命预测模型用以分析航空发动机榫连接结构在不同温度下的微动疲劳寿命。该模型在现有的基于非线性疲劳损伤累积(NLCD)模型微动疲劳寿命预测模型的基础上,引入温度相关的损伤速率因子以考虑温度对榫连接结构微动疲劳行为的影响。以某型发动机钛合金TC11燕尾榫结构模拟件为研究对象开展不同温度下的微动疲劳寿命数值模拟预测研究,预测结果与试验结果相比在2倍误差范围以内,证明了此寿命预测模型的有效性。      

微动疲劳寿命可靠性分析方法

针对结构的微动疲劳问题,发展了一种寿命可靠性分析方法.在微动条件下,接触区域处于多轴应力状态,采用基于临界平面法的多轴疲劳参数对结构的微动疲劳寿命进行预测.在确定性寿命计算的基础上,考虑弹性模量、摩擦系数以及寿命预测模型中材料常数的随机性,利用响应面方法,结合Monte-Carlo模拟技术获得结构微动疲劳寿命可靠性模型.最后将此方法用于燕尾榫结构的微动疲劳寿命可靠性分析,验证了所提出方法的可行性和有效性.      

航空装备关键件微动疲劳寿命预测

通过微动疲劳损伤机理分析,以微动疲劳接触应力计算入手,建立了航空装备关键件中一种较为普遍的圆柱/平面接触微动疲劳结构的有限元全局模型和子模型,通过边界条件误差和离散误差分析,提高了计算精度和计算效率。以断裂力学为基础,根据复合型裂纹断裂判据,用改进的裂纹闭合积分法计算了裂纹尖端应力强度因子,引入应力强度因子影响系数,建立了微动疲劳裂纹扩展寿命预测模型,确定了模型中的参数,通过预测寿命与试验值的对比验证了该模型的正确、有效性。     

微动疲劳寿命可靠性分析方法研究

针对结构的微动疲劳问题,发展了一种寿命可靠性分析方法。在微动条件下,接触区域处于多轴应力状态,采用基于临界平面法的多轴疲劳参数对结构的微动疲劳寿命进行预测。在确定性寿命计算的基础上,考虑弹性模量、摩擦系数以及寿命预测模型中材料常数的随机性,利用响应面方法,结合Monte-Carlo模拟技术获得结构微动疲劳寿命可靠性模型。最后将此方法用于燕尾榫结构的微动疲劳寿命可靠性分析,验证了所提出方法的可行性和有效性。     

基于非线性连续介质损伤力学方法的微动疲劳寿命预测

微动损伤被称为“工业癌症”,为了更加准确预测微动疲劳寿命,本文提出了一种基于多轴非线性连续介质损伤力学(NLCD)模型的微动疲劳寿命预测方法.该方法在Chaboche NLCD模型基础上,引入临界等效塑性应变幅对其进行改进,得到了适用于微动疲劳的NLCD改进模型,对桥式光滑试件和燕尾榫结构模拟件分别进行了微动疲劳寿命预测,与文献试验结果误差分散带在2倍因子之内,且预测裂纹萌生位置与试验吻合良好,验证了本文方法的有效性.     

榫连接结构微动疲劳寿命研究

根据航空发动机叶片和轮盘的榫连接结构接触区域的几何特性,对其微动疲劳接触问题进行了简化.通过有限元方法对简化模型进行数值计算分析,获取相应的应力、应变和位移.将临界平面法和微动损伤机理相结合,提出了一个微动损伤参量,并建立相应的微动疲劳寿命预测模型.将TC11试验件和榫连接构件的微动疲劳试验寿命与预测寿命进行比较分析.结果表明:所建立的微动疲劳寿命模型其预测结果误差分散带均在2倍因子以内.      

应用局部应力-应变法的微动疲劳寿命估算

 本文将微动疲劳破坏分为微动应力集中破坏和接触磨蚀破坏,通过建立两表面接触的简化计算模型得到了微动应力集中系数K_t的表达式,,并导出了适用于薄板小试件的微动疲劳寿命估算公式。最后用文献中的实验结果进行验证,给出了几种材料微动疲劳寿命的估算结果。     

基于临界面法的燕尾榫连接结构微动疲劳寿命预测

以航空发动机叶片/轮盘之间的燕尾榫连接结构为研究对象,分析了燕尾榫连接结构接触应力与应变的变化.根据多轴疲劳临界损伤平面原理,在燕尾榫连接结构的微动疲劳寿命预测研究中引入多轴临界平面法的疲劳损伤参数CCB (Chu-Conle-Bonnen),FS (Fatemi-Socie),MSSR (modified shear stress rang)和SWT (Smith-Watson-Topper).将预测寿命与试验寿命进行对比,结果表明:在预测微动疲劳寿命时,4个参数中寿命预测的最大误差为23%,可较好地预测低周微动疲劳寿命.其中基于临界平面法的SWT参数预测误差最小,为1.23%;4个参数均预测裂纹萌生位置在接触区末端,与试验结果一致.在预测裂纹萌生角度上,FS,MSSR,SWT参数预测结果与试验较一致,CCB参数预测结果与试验结果相差较大.说明基于临界平面法的寿命预测模型具有较好的预测能力.      

考虑离心力与热应力非连续界面的微动磨损

航空发动机、重型燃气轮机等旋转机械的组合转子轮盘间多采用非连续界面连接,通过建立两轮盘的环形平面接触有限元模型,并进行冷态预紧、升速工况下的结构分析及稳态温度场下的热-结构耦合分析。研究了环形接触界面的接触应力、切应力、磨损深度等微动参量的演变规律。结果表明:预紧力单独作用下接触应力从内径到外径逐渐减小,内径处接触应力和切应力最大,磨损最严重;随转速升高,离心力增大,接触界面的最大接触应力增大,最小接触应力减小,造成接触应力分布不均匀程度及磨损加剧;稳态温度场导致盘间接触应力均值大幅度上升,严重加剧轮盘间磨损;从盘间接触应力分布均匀性与界面微动磨损情况来说,热载荷是造成组合转子非连续界面微动磨损的主要因素。