基于金属磁记忆技术的18CrNi4A钢缺口试件疲劳损伤模型

对18CrNi4A钢缺口试件进行了疲劳试验和磁记忆检测,研究了磁信号在疲劳过程中的变化规律,基于连续损伤力学理论,采用磁信号特征参量作为损伤参量,提出了一种新的18CrNi4A钢缺口试件疲劳损伤模型。结果表明,在稳定循环阶段,磁信号随疲劳循环周次增加无显著改变,疲劳裂纹萌生后,磁信号逐渐增加,并在断裂后发生激变。磁信号特征参量绝对值在疲劳过程中表现为三阶段变化特征,随疲劳损伤程度的加剧而逐渐增加。磁信号特征参量绝对值与应力水平存在强烈的相关性,应力水平越大,其值越大。疲劳损伤试验结果与基于磁信号特征参量的疲劳损伤模型显示的疲劳损伤演变规律符合较好。     

基于磁记忆技术对含缺陷焊缝的疲劳试验

对含有不同隐形损伤的40Cr焊板进行射线检测、疲劳试验和正交磁记忆信号测量，探索试件在疲劳应力作用下磁记忆信号的变化特征。试验结果表明：单一测量方式下的磁特征值不能表征焊板在疲劳循环载荷下的变化特征，所得结论存在偶然性；研究发现，可用磁场矢量梯度积分特征和磁场矢量合成梯度特征来评价焊板的疲劳损伤过程，并建立了以磁场矢量梯度特征为损伤参量的疲劳损伤模型，从而可以对含有隐形损伤焊接构件的疲劳寿命进行定量评估，为金属磁记忆技术在焊接缺陷定量评价上的进一步研究提供参考依据。     

铁磁构件残余寿命评估方法

 为研究磁记忆检测技术评估铁磁材料早期损伤的可行性,以磁记忆检测技术为手段,对40Cr钢三点弯曲SE(B)试样进行了常温疲劳裂纹扩展试验,分别测量了试样在相同载荷条件下不同循环周次N时的磁场数据。定义了一种新的磁记忆特征参量,分析并探讨了疲劳裂纹扩展过程中该特征参量的阶段性特征,结果表明该特征参量较传统的磁记忆特征参量变化明显。通过分析磁记忆信号与裂纹扩展寿命、累积疲劳损伤之间的关系,建立了基于磁记忆信号的损伤参量模型,利用该模型可以很好地评估材料的残余寿命,可为磁记忆检测技术在铁磁性材料早期损伤以及残余寿命评估方面的应用提供借鉴作用。     

TC18钛合金疲劳断裂过程声发射信号特征分析

声发射技术通过实时监测结构服役过程中发出的声发射信号,判断结构是否出现损伤,是一种重要的在线监测损伤的技术。为了明确TC18钛合金在疲劳试验中产生微裂纹、裂纹扩展及断裂等过程中声发射信号的特性,设计TC18钛合金试验件,进行其疲劳试验并全程采集声发射信号;采用参数分析方法,得到声发射信号在时域、频域方面的参数特征。结果表明:在裂纹萌生及扩展阶段,声发射信号幅值为40~65dB,低于相同条件下铝合金的信号幅值;在200~280kHz频段上,裂纹萌生阶段与后续过程的能量分布存在较大差异。结合上述研究结果,给出TC18钛合金试验件声发射监测的参考原则。     

基于导波-高斯混合模型蒙特卡罗迁移度量的结构损伤定量化诊断方法研究

在线准确定量诊断飞行器结构疲劳裂纹损伤对于保证结构安全、降低维护费用具有重要意义，为了提升复杂服役条件环境下结构损伤定量化诊断的可靠性，本文提出了一种导波-高斯混合模型（Gaussian mixture model,GMM）蒙特卡罗迁移度量的损伤定量化诊断方法。首先建立表征结构不同状态下导波特征概率分布的GMM，再通过大数据随机采样的蒙特卡罗方法计算监测状态GMM相对于基准GMM的迁移距离，该方法在避免了复杂积分计算的同时，能够更准确地计算GMM的迁移距离，实现复杂服役条件下损伤扩展的准确定量化追踪诊断。选取重要飞行器耳片连接结构进行了孔边裂纹监测，有效实现了裂纹定量化监测，结果表明，相比传统的最小匹配迁移距离计算方法，本文提出的方法使裂纹定量化精度提高了29%。     

基于多传感器的裂纹扩展监测研究

疲劳裂纹扩展是结构健康监测的主要问题之一，为了保证金属结构的可靠和安全运行，实时监测结构的疲劳裂纹扩展过程十分必要。针对结构裂纹扩展的问题，采用压电传感器（PZT）和电阻应变片两种传感器，提出结合能够连续监测结构损伤的被动监测方法以及对微小损伤敏感的主动监测方法对裂纹扩展进行综合监测，以提高裂纹扩展的监测水平。采用随机森林算法对裂纹长度进行识别，并使用D-S证据理论对两种传感器的识别结果进行数据融合，得到比单一传感器更准确、可靠的裂纹扩展识别结果。进行了基于应变和主动Lamb波的裂纹扩展监测实验研究，验证了该方法对提高裂纹扩展监测识别准确率的有效性和实用性。     

基于光纤光栅与BP神经网络的孔边裂纹监测研究

含孔金属结构的孔边裂纹监测对于保障飞行安全,增强飞机结构可靠性具有重要意义。为实现对孔边裂纹扩展的监测,进行含有孔边角裂纹的含孔铝合金板疲劳加载试验,得到含孔铝合金板试验件的a-N 曲线以及孔边裂纹扩展过程中光纤光栅应变传感器中心波长偏移量;利用包络分析法、BP 神经网络等损伤识别算法对试验数据进行处理与分析;建立能够以光纤光栅应变传感器中心波长偏移量识别孔边裂纹扩展的监测模型,并通过试验对监测模型进行验证。结果表明：此监测模型可有效识别出孔边角裂纹的扩展与穿透,对孔边角裂纹扩展长度监测的准确度达到了97.2%,未来可应用于全机地面疲劳试验、飞机结构健康监测等多种场景。     

疲劳裂纹扩展随机过程的统计分析

证明了两种疲劳裂纹扩展随机模型 (即以时间为参量的随机过程模型和以裂纹长度为参量的随机过程模型 )在描述裂纹扩展随机过程方面的统一性。建立了由试验数据估计平稳对数正态随机过程相关参数的方法,可以直接由试验数据估计疲劳裂纹扩展随机过程的相关参数。针对 4种机型含紧固孔试件谱载荷下的疲劳裂纹扩展试验数据,给出了用文中方法估计的相关参数和用随机模拟法估算的置信区间。     

金属疲劳扩展区和瞬断区的物理数学模型

以金属的疲劳扩展区和瞬断区为对象,讨论了应力变化幅度与裂纹临界长度、疲劳寿命和临界裂纹长度的数学模型;分析了疲劳瞬断区上放射线的物理数学模型,探讨了疲劳瞬断的性质和控制参量以及疲劳瞬断区的对称性,得到了一些颇有启发性的结果,为金属材料的疲劳宏观断口定量分析提供了有价值的思路     

基于三维叶尖间隙的叶片裂纹动力响应特征分析与诊断方法

将裂纹叶片三维动力响应分析与参数识别方法相结合,分析不同裂纹叶片状态下三维叶尖间隙（3-dimensional blade tip clearance,3D-BTC）动力响应参量的信息熵特征,并利用稀疏滤波从不同参量信息熵分布中无监督学习叶片裂纹的多尺度动力响应特征,实现裂纹叶片在运行过程中响应变化特征的信息熵定量描述。在此基础上,利用支持向量机（support vector machine,SVM）的强非线性映射能力建立多尺度响应特征空间与状态空间之间复杂映射。经试验证实,所提方法能实现叶片裂纹损伤程度的定量诊断,达到100%的诊断准确率,远优于其他方法,且诊断结果稳定性好。     

TC11钛合金微动疲劳裂纹萌生预测分析

针对航空发动机叶片与盘榫连接结构简化模型的微动失效形式,建立了基于临界平面法预测微动疲劳裂纹萌生的控制模型。该模型引入综合考虑多种微动疲劳影响因素的微动损伤参量CSE(微动综合损伤参量),建立了微动疲劳特性的分析流程,对微动疲劳裂纹的萌生方向、位置和寿命进行了估算。应用CSE控制模型,对失效的TC11钛合金微动疲劳试件的裂纹萌生进行预测,通过比较不同损伤参量的预测结果,验证了CSE预测裂纹萌生的有效性。     

损伤力学方法在材料低周疲劳试验中的应用研究

考察了低周疲劳过程中的弹性模量和应力随循环次数的变化.研究表明:可以用弹性模量和应力的变化来反映材料的低周疲劳损伤过程.对没有明显循环稳定阶段并表现为循环软化响应行为的材料, 不适合用应力的变化来定量的反映材料低周疲劳的损伤过程.用弹性模量随循环次数的演化关系得到了不同应变水平下材料的疲劳裂纹萌生寿命, 并用三参数幂函数方程对应变与疲劳裂纹萌生寿命进行了拟合处理, 得到了应变与疲劳裂纹萌生寿命方程.      

燕尾榫联接结构微动疲劳裂纹的检测技术

自行研制了燕尾榫联接结构微动疲劳裂纹检测系统,利用应变片感知将要产生疲劳裂纹处周围的应变变化,把该应变信号经过A/D转换后送到PC机进行实时分析。该系统能比较准确捕获到疲劳裂纹出现的时间,有效地观测到疲劳裂纹的萌生和扩展过程。微动疲劳试验结果表明该方法简单实用、检测准确、效果明显,解决了疲劳裂纹观测难、捕获裂纹时刻延迟、工作强度大等问题。      

基于导波原位检测的复合材料疲劳表征与寿命预测研究

随着复合材料在先进飞行器结构中占比的逐渐增加,复合材料在服役过程中力学性能的变化对飞行器整体的安全至关重要。为了实现基于导波原位检测的飞行器复合材料整体部件疲劳评估和寿命预测,首先,从宏观和细观的角度研究复合材料疲劳损伤演化规律;在此基础上,通过分析导波波场信息,探究导波相速度、模态能量比等特征在表征复合材料疲劳方面的潜力;其次,从复合材料损伤机理出发,建立导波相速度与疲劳损伤累积的演化模型;然后,构建深度学习框架,以数据驱动的方式从导波波场中提取疲劳演化特征;最后,提出基于贝叶斯模型平均方法的疲劳演化模型,对复合材料剩余疲劳寿命进行预测。结果表明：通过提取和分析导波特征信息,可以准确地对复合材料疲劳状态进行表征,结合贝叶斯模型平均方法和置信区间准则,实现了在试件疲劳破坏之前的剩余寿命预测。     

镍基合金GH4169疲劳小裂纹的扩展行为

基于表面复型法,采用快速固化材料RepliSet监测了镍基合金GH4169单边缺口拉伸试样疲劳小裂纹的萌生和扩展行为,利用光学显微镜对复型进行了观测。结果表明:RepliSet材料可有效复制试样表面形貌,记录疲劳小裂纹的萌生和扩展过程。镍基合金GH4169疲劳小裂纹起始于材料表面夹杂,疲劳小裂纹早期扩展阶段受微观结构影响,扩展速率波动性较大。疲劳小裂纹扩展过程中的临界裂纹长度约为250μm,当主裂纹长度小于250μm时,裂纹扩展非常缓慢;但当裂纹长度超过250μm后,疲劳小裂纹快速扩展成为长裂纹并导致试样断裂。在双对数坐标系中,疲劳小裂纹扩展速率和裂纹长度近似为线性关系。      

疲劳裂纹萌生的声发射信号特征研究

进行了疲劳裂纹萌生的声发射监测技术试验研究。试验件选用航空上常用的铝合金材料,对不同形式的结构细节进行疲劳试验,获取不同形式试验件裂纹萌生的声发射信号,用参数分析对这些信号进行了分析。预报裂纹萌生的时间,从而为结构部件以及全尺寸结构疲劳试验的损伤监测提供参考。     

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 S_WT和剪切型等效损伤参量 F_S,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 S_WT和剪切型等效损伤参量 F_S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。     

先进铝锂合金层板疲劳裂纹扩展分层行为

纤维金属层板的分层形状和尺寸对于研究其疲劳裂纹扩展行为具有至关重要的作用。为了研究一种先进铝锂合金层板在疲劳裂纹扩展过程中的分层行为,本研究通过有限元分析获得试样表面应变接近于0区域的尺寸与实际分层区域尺寸的计算关系式,将数字图像关联技术(DIC)实时获取的试样表面应变数据与实际分层结果进行关联,并通过不同铺层结构、切口尺寸、裂纹长度下的分层尺寸数据对该方法进行验证,实现先进铝锂合金层板疲劳裂纹扩展实验中分层行为的实时监测。结果表明,该方法具有优异的适用性、经济性和数据一致性。     

涡轮3 维叶尖间隙对典型故障特征的响应特性分析

为了有效地克服传统叶尖间隙在航空发动机涡轮叶盘的健康监测中传递信息能力有限的不足,充分考虑了在航空发动机运行过程中涡轮叶片叶尖的3维特征,提出包含径向间隙、叶片叶尖端面轴向偏转角和周向偏转角在内的涡轮3维叶尖间隙的概念,并将3维叶尖间隙特征参量作为叶片故障信号载体,通过有限元方法分析了3维叶尖间隙特征参量对高压涡轮叶片典型裂纹故障的响应特性。结果表明:3维叶尖间隙特征参量对高压涡轮叶片尾缘裂纹的故障特征信息有良好的反映效果。     

逐次累积裂纹扩展计算的循环计数方法

给出一种疲劳损伤的累积方法,用于随机谱载下的裂纹扩展模型计算,该方法既能充分计及疲劳裂纹尖端材料的累积损伤作用,又提供了在裂纹扩展模型计算中实时考虑加载序列影响的可能性。本方法可应用于各类疲劳寿命及裂纹增长分析预测模型的计算,克服了以往方法中不能维持原有峰谷序列的缺陷,使模型计算过程更趋合理和符合实际的损伤机制,从而便于各种模型的发展、改进和评价。