三轴应力约束下疲劳裂纹闭合分析

在对D-B模型修正的基础上,考虑到用三轴应力约束的方法研究穿透裂纹厚度效应,对常幅载荷条件下疲劳裂纹闭合做了详细的分析,并建立了一个有效的分析模型。该模型与三维有限元结果、实验数据和其它模型作比较,结果显示出能很好地处理各种因素对疲劳裂纹闭合的影响;对常幅下裂纹扩展速率首次获得同种材料在不同厚度、应力比和载荷水平下的统一描述。     

单峰过载下的疲劳裂纹扩展厚度效应研究

进行了国产2024-T 351 铝合金在单峰过载条件下试样厚度对疲劳裂纹扩展性能影响的试验和分析研究。结果表明: 试样厚度对裂纹扩展迟滞有明显的影响; J. B. Chang 模型中的过载截止比不是材料常数, 它还和疲劳裂纹扩展的应力状态、载荷序列及试样厚度等因素有关。厚试样有较大的过载截止比, 用J. B. Chang 模型进行疲劳裂纹扩展寿命预测时应采用相应试样厚度的过载截止比。     

恒幅及飞行模拟载荷下厚度对裂纹增长的影响

不同厚度试样的疲劳裂纹扩展试验及断口微观分析表明,恒幅加载低应力比飞行模拟载荷条件下具有明显的厚度影响。考查了模型对厚度影响的预测能力。Newman的模型具有预测厚度影响的潜力,广义改进的wellenborg模型不含有厚度影响的考虑,即使通过调整约束系数α的方法也不能计及厚度的影响。厚度对裂纹增长影响的物理原因及模型化有待于进一步研究。     

裂纹尖端压缩应力对闭合和扩展特性影响的数值模拟

为了研究FGH97粉末高温合金的塑性诱导裂纹闭合现象,采用有限元方法分析了FGH97紧凑拉伸试样的裂纹扩展和裂纹闭合效应,考察了裂纹尖端单元尺寸、本构模型和节点释放周期对闭合比的影响,提出了修正闭合比和修正有效应力强度因子范围的概念,同时进行了寿命预测并和试验结果进行对比。结果表明:随着裂纹尖端单元尺寸从40μm减小至3μm,闭合比逐渐增大至收敛。各向同性硬化模型的闭合比约为0.51,随动硬化模型的闭合比约为0.44,Chaboche模型的闭合比约为0.48,闭合比的大小可以用裂纹尖端压缩应力区域尺寸反映。随着节点释放间隔周期数的增加,压缩应力区域尺寸和闭合比逐渐降低。裂纹扩展试验结果表明:根据修正有效应力强度因子范围进行寿命预测,与试验结果偏差为3.86%。     

飞机谱载荷下裂纹扩展的三维约束效应

研究裂纹端部三维应力约束、塑性约束和位移约束等对谱载疲劳裂纹扩展的影响。用适于三维应力状态的修正条带屈服模型 ( Modified Strip Yield Model)计算与裂纹扩展有关的三维约束因子。利用所得约束因子的理论解改进 NASA多年来发展的 FASTRAN-II寿命预测软件 ,使其避免了依赖经验确定的约束因子进行寿命预测的局限 ,仅利用一组常幅疲劳裂纹扩展数据和材料的常规机械性能便可预测飞机谱载下的裂纹扩展寿命。对多种谱型、应力水平、过载比和材料的组合情况进行了分析 ,预测寿命与试验结果吻合很好 ,证明本文方法和改进软件可以用于实际结构的寿命预测。     

含裂纹铝合金板单面修补结构疲劳裂纹扩展分析

为了研究单面修补结构疲劳裂纹的扩展规律,进行了玻璃纤维/环氧树脂复合材料单面修补含裂纹铝合金板的疲劳试验,并建立了基于斜裂纹前沿(UCF,Uniform Crack Front)和基于垂直裂纹前沿(SCF,Skew Crack Front)的三维有限元模型。利用数理统计方法和有限元模型得到了不同裂纹长度时的有效应力强度因子(ESIF,Effective Stress Intensity Factor)值,采用应力强度因子修正法从疲劳试验结果中获得了修补结构不同裂纹长度时应力强度因子(SIF,Stress Intensity Factor)值Kexp,并使用有限元模型的ESIF值和Kexp预测了修补结构的疲劳寿命。通过分析得到以下结论:同基于UCF有限元模型相比,基于SCF有限元模型的ESIF更接近于Kexp。在预测疲劳寿命时,基于UCF有限元模型预测结果误差较大,与试验中值寿命的最大误差可达到19%;而基于SCF有限元模型各ESIF预测结果与试验中值寿命的误差都在6%之内,与试验结果一致性较好。     

孔边角裂纹扩展特性分析

采用二维裂纹扩展分析方法研究含孔边角裂纹平板中疲劳裂纹扩展速率和寿命。该方法假设孔边角裂纹两个主方向上裂纹扩展主要取决于两方向裂纹尖端的应力强度因子。并采用裂纹闭合特性修正。预测在常幅拉伸疲劳载荷情况下２１２４Ｔ８５１铝合金板和３０ＣｒＭｎＳｉＮ１２Ａ合金钢板中孔边角裂纹扩展速率和寿命。理论计算和实验结果较吻合。     

直接时效GH4169高温合金疲劳裂纹扩展性能试验

对直接时效GH 4169高温合金的疲劳裂纹扩展性能进行了试验研究。分别研究了厚度、温度、应力比等因素对直接时效GH 4169高温合金疲劳裂纹扩展性能的影响。结果表明,在410 mm的厚度范围内,厚度对直接时效GH 4169高温合金疲劳裂纹扩展性能几乎没有影响,但厚度为2 mm且应力比为0.1时其裂纹扩展速率稍有下降;应力比对直接时效GH 4169高温合金疲劳裂纹扩展的影响随着应力比的提高逐渐减小;温度的提高对直接时效GH 4169的裂纹扩展速率有明显的加速作用,但是随着应力强度因子范围的增加,其影响逐渐减小,氧化作用是加速其裂纹扩展的主要机理。      

考虑应力比的疲劳裂纹扩展概率模型

考虑到应力比对疲劳裂纹扩展速率的影响及裂纹扩展的分散性,在Paris公式基础上,提出了一种考虑应力比的疲劳裂纹扩展概率模型;运用非线性函数线性化原理给出概率模型参数的求解方法;通过该概率模型和曲面,可从宏观上把握应力比对裂纹扩展的影响规律及得到任意应力比下的概率疲劳裂纹扩展速率曲线;对30CrMnSiNi2A钢试验数据的处理及分析验证了该模型的有效性和实用性.      

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。      

平面应力裂端约束与J控制裂纹稳态扩展

利用有限元法计算模拟了紧凑拉伸和中心裂纹两种试样在Ⅰ型平面应力条件下的裂纹准静态扩展过程。结果表明:两种不同的薄板试样中扩展裂纹尖端约束和应力场完全满足静态裂纹HRR奇异性解的相应要求,即对于扩展裂纹J主导裂端场条件依然有效。值得注意的是:与平面应变情形相反,在平面应力条件下,较高的J主导水平发生在纯拉伸条件下,而较低的J主导水平发生在纯弯曲条件。由两种试样实测及有限元计算模拟的平面应力J阻力曲线符合良好。因而,作为一个独立于试样几何的准则,平面应力J阻力曲线适于表征材料抵抗裂纹稳态扩展阻力,并且能够合理地用于评估给定材料状态条件下的薄壁含裂纹构件和结构的安全性。     

带保载平面应变塑性诱发裂纹闭合效应

用黏塑性有限元法模拟含中心裂纹试件在等幅循环拉伸加载和保载作用下的裂纹扩展规律.试件采用涡轮盘材料Udimet720 Li(low inclusion)、恒温700℃和平面应变假设,通过逐步释放裂纹尖端节点约束来模拟裂纹扩展.计算了在应力比R=0,不同最大循环载荷、不同保载时间对平面应变下无量纲裂纹张开应力强度因子的影响.平面应变情况下,无量纲裂纹张开应力强度因子随最大载荷的变化而趋于分散,并随着裂纹的扩展,会存在先上升后下降并趋于一个稳定值的趋势;载荷相同时,保载时间的增加使裂纹张开应力强度因子增加.高温保载情况下,蠕变会影响裂纹扩展速率.      

Comparative study between crack closure model and Willenborg model for fatigue prediction under overload effects

A comparative study is performed between a crack closure model and the Willenborg model, which can calculate the fatigue crack growth rate under the overload effects. The modified virtual crack annealing (VCA) model is briefly reviewed, which is based on the equivalent plastic zone concept. In this method, the retardation phenomenon is explained by the crack closure level variation, which is derived from the interactions between forward and reverse plastic zones ahead of the crack tip. As a comparison, the Forman equation in conjunction with the Willenborg model is also reviewed. The retardation phenomenon is described by directly modifying the stress intensity factor. It is known that the large plastic zone created by the overload can decelerate the fatigue crack growth rate until the crack grows beyond this region. A relationship between the plastic zone and the modified stress intensity factor is developed, which is a mathematical fitting equation instead of physical-based formulation. The experimental data in aluminum alloys are used to val-idate these two models. Overall, good agreement is observed between the model predictions and the testing data. It is noted that the approach based on modified VCA model can give more accurate prediction curves than the Willenborg model.     

一种基于约束因子的超载迟滞模型

在常幅载荷中加入一个超载会明显影响后续一段时间裂纹扩展的速率.要准确预测结构在变幅载荷谱下的疲劳裂纹扩展寿命,必须研究超载对裂纹扩展的影响.现有的变幅疲劳裂纹扩展模型大致可分为屈服区模型、经验的裂纹闭合模型和条带屈服模型.条带屈服模型预测较准确但需要数值迭代求解,计算量大,且程序复杂,不利于工程应用;屈服区模型比较简单...     

Introduction of fretting-contact-induced crack closure: Numerical simulation of crack initiation and growth path in disk/blade attachment

Fretting fatigue crack initiation and growth in titanium alloy dovetail assembly was investigated by the Finite Element Method(FEM). Firstly, contact stress was calculated precisely with an elastic–plastic material model. Secondly, the location and angle of crack initiation were determined by the parameter of the maximum shear stress range on the critical plane, and the angle of crack growth was predicted by the Maximum Tangential Stress(MTS) criterion, which showed agreement with experimental observation. Finally, the fretting-contact-induced crack closure behavior was simulated by the node release technique in software ABAQUS with both elastic and elastic–plastic material models. The simulation shows that the variation of the contact status between fretting surfaces will result in crack closure even for the elastic material model. The fretting crack closure ratio decreases as the crack grows out of the contact area and it has great impact on the effective range of Stress Intensity Factor(SIF) as well as the crack growth rate.     

板和型材均含有裂纹的加筋板应力强度因子计算

本文应用复变应力函数和分区广义变分原理,提出了确定型材和板有裂纹的加筋板应力强度因子的计算方法。采用复变应力函数使裂纹的边界条件精确地得到满足,应用分区广义变分原理使其它边界条件近似地得到满足。本文应用加筋条为角材,其中一根角材含有边缘裂纹,板含有中心裂纹的加筋板,在垂直裂纹平面的远处受均匀拉伸载荷为例,给出了应力强度因子的计算公式。对一特定的结构参数,给出了应力强度因子随裂纹长度变化曲线。     

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。