双剪连接件及双耳连接耳片疲劳寿命估算的逐次累计求和算法

为了研究复杂连接件疲劳失效机理和估算其裂纹形成和扩展寿命,在双剪连接件和双耳连接耳片疲劳试验的基础上,首先,通过扫描电子显微镜（SEM）分析,研究了其破坏模式和机理,并利用断口定量反推技术判读了疲劳裂纹形成与扩展寿命。然后,根据应力严重系数法,建立了复杂连接件疲劳性能S-N-L（疲劳应力-寿命-应力严重系数）曲面;利用该曲面,发展了复杂连接件疲劳裂纹形成寿命估算算法;基于断裂力学理论,推导出裂纹扩展长度与扩展角度公式,建立了疲劳裂纹扩展寿命估算的累计求和算法。最后,运用寿命估算方法,估算了双剪连接件的疲劳裂纹形成寿命、双剪连接件和双耳连接耳片的裂纹扩展寿命,预测结果与断口判读结果吻合良好。本文寿命估算方法为复杂连接件疲劳定寿提供了理论依据。      

多轴疲劳寿命分析方法在飞机结构上的应用

针对飞机结构上常见的处于多轴应力应变(比例多轴)状态下的典型结构,采用3种多轴疲劳寿命分析模型,对该结构的疲劳危险部位进行疲劳寿命分析,并与单轴寿命分析方法的分析结果、疲劳试验结果进行了对比分析。首先对该结构进行细节有限元计算,确定结构的应力分布与应力水平,当载荷施加到88%的最大一级的峰值载荷时,疲劳危险部位的孔边即出现显著的塑性应变,因此,选用低周疲劳(LCF)寿命预测模型进行分析。选取的3种分析模型均是基于临界面的分析模型,分别是Wang-Shang模型、Smith-Watson-Topper(SWT)模型以及Morrow-Brown-Miller模型。为验证分析模型工程适用性,开展了该结构的多轴疲劳试验。与试验结果相比,3种分析模型的预测结果均偏大,其中Wang-Shang模型的预测结果最接近试验值,适用于本文这类结构;SWT模型和Morrow-Brown-Miller模型的预测结果误差相对较大。对于处于多轴载荷状态下的结构,应按照多轴疲劳寿命分析方法进行寿命预测,单轴疲劳寿命分析方法将给出过于危险的评定结果。      

胶铆混合修补铝合金板的疲劳性能研究

针对胶铆混合连接方式单面修补铝合金板的疲劳性能,设计了未修理、铆接修理、胶接修理和胶铆修理4种不同形式的试验件,对其进行了疲劳试验。建立了试验件的有限元模型,得到了结构应力分布,获得了裂纹长度-裂纹尖端应力强度因子（SIF）曲线,并与试验结果进行了对比。结果表明:胶接修理和胶铆修理能有效降低裂纹处应力水平及裂纹扩展速率,且相对于未修理试验件疲劳寿命分别提升184.3%和197.3%;胶铆修理中铆钉能抑制胶层脱黏,相比胶接修理方式修理质量更可靠有效;有限元分析（FEA）结果与试验数据吻合良好,SIF误差基本保持在8%以内。      

超声振动载荷下S06钢的长寿命疲劳性能

采用超声疲劳试验方法对新型沉淀硬化马氏体不锈钢S06钢在106~109周次范围的疲劳性能进行测定,结果表明:S06钢在循环周次大于107周次的范围仍然发生疲劳断裂,在106~109之间,应力寿命曲线持续下降,不存在疲劳极限,用107周次的条件疲劳极限来对S06钢长寿命构件进行无限寿命设计是不安全的.用载荷类型相同并且试样尺寸相近的高频疲劳试验方法对S06钢104~107周次的疲劳性能进行测定,将数据与超声疲劳试验结果进行对比发现:超声疲劳试验方法获得的S06钢的疲劳强度更高.用两种加载频率下106~107周次左右的试验数据拟合得到中值应力寿命曲线,根据应力寿命关系式中的疲劳强度系数的比值来对超声疲劳试验数据进行修正.在考虑了裂纹萌生机制和进行了频率影响修正的情况下,用线性异方差回归方法将超声疲劳试验数据拟合得到S06钢的长寿命P-S-N曲线,为长寿命构件的疲劳设计提供了基础.     

薄板的后屈曲损伤分析与疲劳寿命预估

针对薄板在面内压缩载荷作用下的后屈曲损伤问题进行了研究,并进一步考虑屈曲与疲劳损伤的耦合作用,预估了薄板的疲劳寿命.首先建立了薄板的有限元模型,通过线性屈曲分析得到屈曲临界载荷和屈曲模态,进而采用大变形理论,将线性屈曲的一阶屈曲模态作为初始位移扰动,进行薄板的非线性屈曲分析,得到屈曲临界载荷.其次,根据损伤力学理论与方法建立了薄板材料在单次加载过程中的损伤演化方程,并根据材料疲劳试验结果进行参数识别,获取损伤演化参数.根据非线性屈曲分析结果和损伤演化方程进行了后屈曲损伤分析.最后,考虑疲劳载荷的作用,基于损伤力学理论,采用有限元数值方法求解,考虑每次加载引起的损伤与后屈曲应力应变场分析的耦合作用,通过反复迭代计算,给出了结构疲劳寿命.本研究为工程结构的后屈曲损伤分析以及考虑后屈曲损伤的疲劳寿命分析提供了一种新方法和实现手段.      

加劲板复合型疲劳裂纹扩展寿命的一种简化计算方法

根据对试验数据的分析和理论分析的结果,假定了复合型疲劳裂纹拐弯后的扩展路径为一与载荷轴夹角为84°的直线。然后应用建立在最大主应力准则上的等效应力强度因子,计算裂纹扩展寿命,与试验结果对比,说明提出的计算模型是可行的。     

基于威布尔分布的C-T曲线通用性分析

为研究载荷谱、恒幅应力水平及裂纹尺寸对疲劳寿命预腐蚀影响系数C(T)的影响,建立了基于疲劳寿命服从威布尔分布的C(T)对比法.地面停放预腐蚀对结构疲劳寿命的影响规律可以用C-T曲线表示,当预腐蚀疲劳寿命位于长寿命段,常假定其服从威布尔分布,C(T)为预腐蚀后和未腐蚀结构特征寿命的比值.取预腐蚀疲劳寿命分布函数的形状参数为材料常数,采用极大似然方法估计特征寿命,得到其分布特性,从而建立了C(T)估计量的分布特性,构造了不同环境下的C(T)统计对比法,用于C-T曲线通用性分析. 试验数据分析表明,当取疲劳寿命服从威布尔分布时,C-T曲线与载荷谱、应力水平及裂纹尺寸基本无关.     

民机结构腐蚀条件下疲劳寿命评定与试验验证

针对民机结构典型疲劳关键部位——机翼弦向对接部位,进行了腐蚀条件下民机结构疲劳寿命评定方法合理性的试验验证,评定了该部位腐蚀条件下疲劳寿命.通过关键部位细节模拟试件加速预腐蚀及随后的一般环境下疲劳试验,测定了预腐蚀影响系数曲线;通过腐蚀疲劳试验测定了腐蚀疲劳影响系数;通过关键部位大型结构模拟试件预腐蚀-腐蚀疲劳交替验证试验,测定了典型使用情况下的腐蚀综合修正系数,同时用腐蚀条件下民机结构疲劳寿命评定方法针对交替试验情况进行了评定,结果对比表明该评定方法是合理、可行的.并给出了机翼弦向对接部位典型使用情况下的疲劳寿命评定结论.      

TA15板与电子束焊接疲劳特性研究

通过对TA15钛合金薄板材料标准疲劳试件的疲劳试验结果分析处理和结构用板材2种应力水平下成组疲劳试验,建立了TA15板S-N曲线表达式.完成两种应力水平下TA15板电子束焊接试件疲劳试验,采用当量应力集中系数法,确定各试件的当量应力集中系数以及中值当量应力集中系数、安全当量应力集中系数.进而建立电子束焊接件的S-N曲线与p-S-N曲线,并对当量应力集中系数法的合理性进行了检验.最后对TA15板及电子束焊接件的疲劳特性做了对比分析.     

航空柱塞泵缸体疲劳分析及寿命预测方法

缸体是航空柱塞泵核心部件之一,其直接影响航空柱塞泵的功能。针对目前缸体寿命研究的实验周期长、缺乏理论分析方法的不足,提出了基于有限元分析和线性累积损伤理论的缸体疲劳分析和寿命预测方法。首先,基于理论力学和材料力学建立缸体的力学模型,在MATLAB平台上进行仿真分析,计算缸体受力;其次,建立缸体的有限元模型,在ANSYS平台上计算缸体的应力和应变;然后,将缸体应力、应变等结果导入nCode中,基于线性累积损伤理论,探究缸体的薄弱部位及影响缸体疲劳寿命的因素;最后,进行实验验证。结果表明,靠近配流盘一侧的柱塞腔外壁较为薄弱,容易出现疲劳破坏,与仿真结果基本吻合,验证了所提的缸体疲劳分析和寿命预测方法的正确性,为结构紧凑型柱塞泵缸体的设计提供参考。      

Al-Li合金搅拌摩擦焊搭接接头的疲劳性能

通过疲劳寿命试验、疲劳断口和金相组织分析,研究了Al-Li合金搅拌摩擦焊搭接接头的疲劳性能,分析了接头前进侧热机影响区(TMAZ, Thermal-Mechanically Affected Zone)出现的"钩状缺陷"对其疲劳性能的影响.结果表明,钩状缺陷容易引起裂纹萌生及扩展,减小接头的有效承载板厚,适当缩短搅拌针长度可以改善钩状缺陷,提高接头力学性能.母材与搭接接头的疲劳S-N曲线研究表明:在高疲劳应力下,接头的疲劳寿命接近母材,但随着疲劳应力水平降低,接头的疲劳寿命急剧下降,200万循环周次下的疲劳强度仅达到80 MPa,为母材的35%.     

激光焊接带口盖加筋壁板剪切性能分析

针对双光束激光焊接带口盖加筋壁板开展了剪切稳定性试验,分析了带口盖加筋壁板在受剪状态下的屈曲载荷、屈曲形式、后屈曲承载能力及破坏形式。建立了壁板与剪切夹具的有限元模型,对壁板的剪切失稳形式及后屈曲承载能力进行仿真计算,并探究了口盖对加筋壁板的承载能力、应力变化及面外变形的影响。结果表明:带口盖加筋壁板在剪切状态下,当屈曲比达到1.95时,加筋壁板进入后屈曲,最终破坏载荷约为屈曲载荷的2.98倍。仿真与试验得到的载荷-位移曲线较为吻合,有限元法得到的屈曲载荷和破坏载荷与试验平均值误差分别为8.7%、1.02%。开口壁板的承载能力及刚度均下降,螺栓紧固口盖对加筋壁板的应力与面外变形影响较大。      

单晶叶片材料蠕变试验研究

针对单晶材料涡轮叶片的蠕变计算分析的需要,对我国自行设计的单晶材料DD3进行蠕变试验,根据试验结果提出了进行曲线拟合的方法,并与有限元法计算相结合,对拟合出的蠕变律常数进行了修正,提出了较好符合试验曲线的较精确的Norton蠕变律有关常数A、n和p值,满足了单晶叶片非线性有限元蠕变分析的要求.