钛合金燕尾榫高温低周微动疲劳寿命预测

针对钛合金燕尾榫的高温低周微动疲劳寿命预测问题,通过讨论试验载荷和温度对燕尾榫微动疲劳寿命的影响,发展 了考虑温度影响的修正损伤参量,即拉伸型等效损伤参量SWT和剪切型等效损伤参量FS,建立了能综合考虑温度和损伤参量影响 的燕尾榫高温微动疲劳寿命模型,并拟合出某TC11钛合金燕尾榫连接结构的微动疲劳寿命模型中所需的材料常数。结果表明： 拟合相关性系数最小为0.9394,证实了该模型的适用性。通过计算拉伸型等效损伤参量SWT和剪切型等效损伤参量FS在榫接触面 上的最大值所在位置预测了微动裂纹的萌生位置,与微动疲劳试验件裂纹的萌生位置一致。利用高温微动疲劳寿命模型对不同 试验载荷和温度下的燕尾榫连接结构的微动疲劳寿命进行预测,与试验结果相比,预测结果的误差在2倍分散带以内。     

三维钝裂纹的边界元模拟和剩余腐蚀疲劳寿命估算方法

提出了一个三维钝裂纹的计算模型,并建立了适用于这类模型的边界元法程序。还利用现有的疲劳裂纹扩展模型,对含三维钝裂纹构件的剩余疲劳寿命估算方法进行了讨论,并对三维钝裂纹在空气和海水中的扩展进行了计算。研究表明,本方法和边界元程序,既适用于三维尖裂纹的剩余寿命估算,也适用于三维钝裂纹的剩余疲劳寿命估算。     

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.      

涡轮盘榫槽的损伤力学研究

本文运用损伤力学方法对涡轮盘试件榫槽在蠕变和疲劳交互作用下的裂纹起始寿命与裂纹扩展寿命进行了分析研究。榫槽的非线性损伤累积模型是由修正的Ｃｈａｂｏｃｈｅ′ｓ低循环疲劳损伤模型和改进的Ｋａｃｈａｎｏｖ′ｓ蠕变损伤模型综合形成的。在此基础上建立了疲劳和蠕变交互作用下裂纹扩展计算模型。从理论分析计算与试验结果的一致性,说明所建模型的正确性。采用损伤有限元素法,以有限元网格尺寸模拟损伤裂纹长度。从试件榫槽的裂纹扩展计算分析中,提出裂纹起始方向和裂纹扩展方向判断准则,并通过计算检验了此准则的正确性。文中所建立的基本理论,计算方法及结果分析在工程实际中具有一定使用价值。     

榫连接结构高温低周微动疲劳试验

针对航空涡扇发动机压气机叶片/轮盘连接结构,设计了一种燕尾榫结构高温微动疲劳试验加载装置,开展了TC11钛合金在200℃及500℃下的微动疲劳试验。通过动态位移及动态应变法实现对燕尾榫微动疲劳萌生寿命的监测。试验中发现微动疲劳裂纹均萌生在燕尾榫接触区域的下边缘,且接触表面存在大量的微动磨屑,属于典型的微动疲劳失效形式。试验结果表明:温度环境对微动疲劳寿命的影响较为明显。随着试验温度的升高,试验件的微动疲劳寿命会逐渐减小。      

高低周载荷作用下燕尾榫结构的微动疲劳寿命预测

为预测在高周和低周载荷共同作用下,燕尾榫连接结构的微动疲劳寿命,采用高低周等效应力比代替传统经验预测模型中的等效应力,并考虑到摩擦功的影响,对微动疲劳寿命预测经验模型进行改进。通过燕尾榫连接结构的高低周微动疲劳试验,拟合了改进微动疲劳寿命预测模型中的三个系数;采用该模型对相关文献中的燕尾榫连接结构微动疲劳试验结果进行预测,结果表明,微动疲劳寿命预测的最大误差降低了约50%。     

桥式试件微动疲劳寿命预测与试验研究

对钛合金桥式试件进行数值分析与微动疲劳试验研究,提出了用MSWT参数预测裂纹萌生位置的方法和基于MSWT参数的微动疲劳寿命预测模型。试验结果与断口分析表明:疲劳裂纹出现在微动试件的接触区边缘,与MSWT参数预测的裂纹萌生位置一致。利用桥式试件的微动疲劳试验数据,获得了寿命预测模型中的相关参数,并采用相关文献中燕尾榫连接结构的试验结果对该预测模型进行了验证。     

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。     

三阶段疲劳全寿命估算模型

 本文给出了小裂纹范围的完整定义,并根据此定义提出了“三阶段疲劳全寿命估算模型”,即全寿命由裂纹形成寿命、小裂纹扩展寿命和大裂纹扩展寿命所组成。用此模型估算得到的寿命与实验结果符合很好。     

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.     

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。     

考虑小裂纹特性的裂纹扩展数值分析方法及实验验证

为了对工程断裂关键件进行全面的损伤容限分析,需要发展一种能够考虑小裂纹阶段的疲劳裂纹扩展数值分析方法。在Paris公式的基础上基于镍基粉末高温合金小裂纹扩展行为特点,提出了一种小裂纹加长裂纹阶段的裂纹扩展物理力学过程描述,并以此建立了裂纹扩展速率模型。同时考虑到工程应用,将该模型通过FRANC3D软件的用户子程序,与有限元方法结合,构建了一种可分析实际工程结构例如航空发动机涡轮盘上疲劳裂纹扩展的数值分析方法。针对带初始缺陷的FGH96合金标准试棒进行了裂纹扩展数值分析,并与开展的裂纹扩展寿命实验进行了对比。数值计算结果与实验结果吻合较好,表明该方法能够充分考虑小裂纹阶段的裂纹扩展行为特点,适用于分析工程结构疲劳裂纹扩展的全过程。     

孔边三维短裂纹扩展特性研究

 本文对孔边三维短裂纹扩展特性进行试验研究和理论分析。首先用复形法测出板中孔边三维短裂纹在等幅载荷和单峰超载时扩展规律,然后运用弹塑性断裂力学和裂纹闭合理论对短裂纹的扩展作定性分析,用闭合模型计算短裂纹扩展寿命。理论计算与实验结果较吻合。     

FGH97粉末高温合金缺口试样小裂纹闭合特性数值模拟

采用有限元方法研究了FGH97粉末高温合金缺口试样小裂纹的塑性诱导裂纹闭合效应,分析了网格单元尺寸、缺口形式及外载大小、应力比和本构模型对裂纹闭合的影响,同时采用Walker公式计算裂纹扩展速率,并和试验结果进行对比以考察有限元方法的准确性。结果表明:当前塑性区尺寸大于10倍裂纹尖端网格单元尺寸时,裂纹闭合程度会趋于收敛;缺口形式在裂纹闭合未稳定前会产生影响,外载荷将决定闭合程度的稳定值;应力比的增大会降低裂纹闭合程度直至消失;相对于理想弹塑性本构模型,多线性弹塑性本构模型对网格的依赖性较低。缺口试样小裂纹扩展试验结果表明:考虑裂纹闭合效应之后,裂纹扩展速率计算结果与试验符合良好。      

Z-pins增强陶瓷基复合材料层间Ⅰ型开裂性能预测

基于Z-pins增强陶瓷基复合材料层间Ⅰ型断裂韧性的试验结果、Z-pins增强机理,提出了Z-pins拔出的单线性软化模型.重点考虑了Z-pins直径范围内拔出位移的不一致性,在简单双悬臂梁（DCB）理论的基础上,获得了Z-pins增强陶瓷基复合材料层间Ⅰ型开裂性能的分析预测模型,预测结果与试验结果吻合较好.在此基础上,采用预测模型获得了不同Z-pins直径、裂纹长度下的裂尖能量释放率,并与理想弹簧元法进行了比较.结果表明:当裂尖靠近Z-pins时,随着Z-pins直径增大,两种方法所得的裂尖能释放率的差异逐渐增大,但总体来说差异的量级很小;随着裂纹长度的增加,裂尖逐渐远离Z-pins,两种方法所得的裂尖能释放率的存在较大的差异,不能忽略Z-pins直径范围内拔出位移不一的影响.      

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。      

热载荷下热障涂层表-界面裂纹间的相互影响

针对高温热载荷条件下APS制热障涂层裂纹失效问题,基于涂层系统热弹、热弹塑性本构关系,考虑陶瓷层/氧化层/粘结层界面凹凸形貌,依据表、界面裂纹位置、性质不同,分别运用断裂力学和损伤力学理论建立裂纹演化模型,结合围线积分和内聚力单元法,分析了热载荷下表、界面裂纹断裂参量及开裂状态,研究了陶瓷层表面裂纹与粘结层/氧化层界面裂纹间的相互影响,揭示了热、力、化多场耦合下的裂纹失效机理。结果表明,表面裂纹大幅改变界面微区域的应力分布状态,靠近界面时能使界面裂纹扩展程度整体增加20%,且相邻凸峰处开裂非均匀性可达81%,表面裂纹断裂参量主要受多层结构热失配及缺陷主导,界面裂纹对其影响相对较小,分析结果与试验结果一致。      

含多处损伤未加筋铝合金-壁板的剩余强度

 进行了含多处损伤（MSD）的未加筋LY12CZ铝合金壁板的剩余强度试验。用0.12的钼丝切割预制裂纹,在垂直于裂纹面的方向施加单调增加的拉伸载荷,直至壁板破坏。得到了含不同裂纹几何的未加筋壁板的剩余强度。试验结果表明随着主裂纹长度增加,未加筋壁板的剩余强度减小;对相同的主裂纹长度,主裂纹和相邻的MSD裂纹之间的距离b减小,平板的剩余强度也减小。用5种失效准则分别计算了每个壁板的剩余强度。与试验结果的比较表明,净截面屈服准则和表观断裂韧性准则的误差较大,塑性区连通准则预测的平均误差为22.17%,改进的表观断裂韧性准则的平均误差为16.98%,而改进的塑性区连通准则预测的平均误差为8.27%,改进的塑性区连通准则大大提高了预测结果的精度。     

小孔对DD6单晶热机械疲劳的影响

通过开展同相（IP）和反相（OP）循环下DD6单晶带孔试样与光滑试样的机械应变控制热机械疲劳（TMF）试验,研究孔边应力集中与温度-应变相位角对裂纹萌生寿命的影响。结果表明:带孔试样裂纹萌生于孔边最大主应力位置,其寿命比相同名义载荷的光滑试样低约一个数量级;带孔试样的OP寿命均短于IP,这与光滑试样寿命趋势一致。结合基于滑移系的黏塑性数值模拟,获取不同试验条件下的单晶应力应变分布特征及其演化规律,并构建单晶TMF损伤与宏细观参量的关联。在此基础上,建立一种能够综合考虑应力集中与相位角影响的单晶TMF寿命模型,对光滑试样与带孔试样IP、OP TMF寿命预测结果基本落在试验寿命的2倍分散带内。