陶瓷基复合材料疲劳寿命预测方法

为了建立CMC疲劳寿命预测方法,推广CMC在航空发动机中的应用,根据BHE剪滞模型理论,分析了随着疲劳峰值应力的大小不同,CMC可能出现的4种疲劳迟滞行为,推导了每种迟滞行为下的循环应力-应变公式,模拟了给定应力条件下的疲劳迟滞回线,通过与试验数据对比,证明了迟滞回线模拟的准确性,进一步分析了界面剪应力随疲劳循环数的退化关系。结合界面剪应力退化模型与纤维强度退化模型,设计了纤维应力计算和疲劳寿命计算流程。针对2维编织CMC,根据单胞有限元计算结果提取了纤维束应力,并对CMC进行了疲劳寿命计算,推导了CMC疲劳寿命S-N曲线,其结果与试验数据基本吻合。针对2维编织CMC的疲劳寿命预测方法,可用于编织结构的CMC涡轮导叶疲劳寿命分析。     

用塑性滞后能原理估算随机载荷下的疲劳寿命

 材料的疲劳损伤包括静力损伤和循环损伤,静力损伤为第一次静力加载引起的塑性应变能与静力韧性之比；循环损伤由循环塑性滞后能与疲劳韧性之比来计算,计算中计及了材料循环硬化（或软化）引起的屈服应力增大（或减小）的影响。为了简化计算,假设在循环加载时应力一应变曲线均按迟滞回线规律变化；不同应力变程下材料疲劳韧性可由对称循环的应力控制疲劳试验确定。本文提出了一种比较合理又便于工程应用的、用塑性滞后能原理估算随机载荷下疲劳寿命的新方法,初步的试验验证是令人满意的。     

玻璃纤维增强铝锂合金层板单峰过载疲劳寿命性能对比研究

为了研究铝锂合金、纤维金属层板(玻璃纤维增强铝锂合金2/1层板及3/2层板)材料不同加载下的疲劳寿命性能特点,对每种材料进行疲劳寿命试验。通过对每种材料试样施加不同循环特征的循环应力(恒幅循环应力(应力比R=0.06)、单峰拉伸过载、单峰压缩过载),共获得了9种应力-寿命试验数据。使用样本信息聚集原理,拟合出了各材料的P-S-N曲线。通过比较相同材料不同加载方式及相同加载方式不同材料下S-N曲线的差异,结果表明:拉伸过载下3种材料均表现出过载迟滞效应;压缩过载下合金材料表现出加速破坏效应,层板材料表现出一定的延迟效应;不同结构层板之间疲劳性能的优劣与其所受远程应力的大小有一定关系。     

TGO非均匀增长对热障涂层应力演化和破坏机理的影响

采用内聚力模型和热生长氧化层(TGO)非均匀增长子程序,数值模拟了在热循环载荷作用下热障涂层(TBC)内部应力演化规律和开裂行为。涂层失效过程首先是源自陶瓷层(TC)内近波峰位置的拉伸和切应力共同主导的陶瓷层Ⅰ、陶瓷层Ⅱ混合型裂纹;随着循环数增加,则转向由TC内近波峰位置的切应力主导的Ⅱ型裂纹和波峰波谷中间的涂层厚度方向拉伸应力主导的Ⅰ型裂纹。整体非均匀增长和波谷均匀增长模式下的最大拉伸应力经过一定循环数后几乎不再随循环数而增加;而在波峰均匀增长和整体均匀增长模式下,最大拉伸应力则会随着循环数增加持续增长。整体非均匀增长、波谷非均匀增长模式下,20个循环后最大切应力出现在近波峰位置,分别为-16241 MPa和-15428 MPa;而整体波峰均匀增长和整体均匀增长模式下,最大切应力为-11382 MPa和-11198 MPa。对于波谷均匀增长和整体非均匀增长模式,在9个循环后出现界面裂纹。而对于波峰均匀增长和整体非均匀增长模式,在第17个循环出现界面裂纹。     

航空发动机燃油管路概率疲劳极限测试方法

确定管路结构的疲劳极限对避免航空发动机燃油管路系统疲劳失效具有重要意义。本文分别开展了空管和充压管路（13.5MPa）的旋转弯曲疲劳试验,采用两路应变方法监测偏心旋转过程中由惯性引起的动态应力,基于Gerber模型对内压导致的非对称循环载荷进行了应力修正,获得了两种工况下管路疲劳失效形式的差异。通过升降法数据配对,确定了空管和充压管路的疲劳极限和标准差。在升降法数据的基础上,补充若干高应力水平下的疲劳试验,采用幂函数模型拟合了管路的S-N曲线。最后,利用概率统计分析方法对试验数据进行处理,获得了不同置信度和存活率下的疲劳极限。研究结果可为航发燃油管路应力严苛值设计提供参考。     

碳纤维/环氧树脂单向复合材料的吸湿残余应力研究

对碳纤维增强环氧树脂基(CFL/EP)单向复合材料在湿热环境下吸湿残余应力进行了研究.首先,采用ABAQUS有限元软件计算了环境温度T=37℃及T=80℃条件下随时间变化的材料中水分分布,该结果和材料吸湿实验结果吻合较好,同时也发现碳纤维随机分布模型能更好地模拟复合材料吸湿行为;随后,根据获得的水分分布对随时间变化的吸湿残余应力进行了研究.结果表明:树脂基体长时间吸湿导致的残余应力能够达到很高的水平(30MPa以上),其中纤维间距较小的基体区域以及基体和纤维界面处的应力水平明显高于其他区域,而在界面处应力值最高.这种高水平的残余应力在吸湿、脱湿循环下可能导致材料发生疲劳损伤及失效.     

Ti6Al2ZrMoV精密铸件疲劳性能研究

对Ti6Al2ZrMoV 精密铸件进行了400、460 和 520 MPa 三种不同应力水平下的疲劳性能试验.试验载荷采用三角波和轴向循环加载,加载系数 K=0.4,应力比 R = 0.1,且在等幅应力下进行.结果表明,400和 460 MPa 应力水平下,铸造 Ti6Al2ZrMoV 合金具备良好的疲劳性能.随着应力水平的提高,疲劳寿命显著下降,520 MPa 应力水平下的疲劳寿命均值仅为36.8×104周次.断口观察和分析表明,精密铸件内部冶金缺陷和表面质量等因素,是影响合金疲劳性能的主要原因.     

ZSGH4169合金细观力学行为的数值模拟

基于晶体塑性本构理论,利用多晶代表性单元从细观尺度研究了ZSGH4169合金在650℃条件下考虑双轴应力状态的循环应力应变行为.计算结果表明:该合金在双轴拉伸应力控制下存在与低周疲劳试验常用的单轴应力状态一致的棘轮效应.对两种应力状态下的结果进行对比发现,在1150MPa应力单轴循环载荷下初始循环残余应变比双轴应力状态高出3倍,且双轴应力状态下最终循环稳定,残余应变约为1.2%,但在单轴应力状态下是不稳定的.对应力和塑性应变累积不均匀性的分析表明:单轴和双轴拉伸状态下,虽然应力和应变分布的不均匀性都随着循环数的增加而增加,但单轴拉伸状态下平均应力随循环数增加,而双轴拉伸状态下几乎为常数.      

单晶高温合金低循环疲劳寿命的三维应力应变模型

将正交各向异性材料屈服函数中的等效应力的概念进行了推广,给出了单晶材料在三维交变载荷作用下疲劳损伤等效应力幅和等效塑性应变幅的计算公式。用等效应力幅和等效塑性应变幅对单向应力作用下的低循环疲劳寿命模型进行修正,提出了一种单晶材料在三维交变载荷作用下的低循环疲劳寿命模型。用所提出的三维低循环疲劳寿命模型预测了单晶材料PWA1480的低循环疲劳寿命,同时与试验结果进行了比较。     

TC4钛合金的疲劳寿命与循环变形试验

本文试验研究了TC4钛合金高压气瓶材料室温空气环境下的疲劳性能、测定了恒幅应力的疲劳寿命,比较了试样表面不同状况对疲劳寿命的影响。测定了两种较高应力下的循环变形量。讨论了试验期间的过载和间歇加载对循环变形的影响。试验结果表明,在最大载荷下有保持时问的低循环试验中,1000次循环内最大应力0.89б_(0.2)的累积塑性应变大约为1×10~(-2)最大应力0.59б_(0.2)的累积塑性应变大约为1×10~(-3)。     

单向陶瓷基复合材料任意应力本构行为快速计算方法

为了实现快速预测陶瓷基复合材料(CMCs)任意应力加卸载作用后的损伤状态和本构行为,对CMCs任意应力加卸载力学行为进行研究。提出了任意应力加卸载曲线简化方法,得到仅包含决定CMCs损伤状态的等效载荷曲线。基于剪滞模型,直接给出CMCs在等效载荷曲线作用后的滑移区分布,避免对载荷曲线的逐点计算。进而预测了材料的损伤状态和应力应变行为。将原始加卸载曲线带入剪滞模型,计算CMCs滑移区分布和应力应变,并与本文提出的方法进行比较,结果表明,两种计算方法计算的结果一致,说明了本文提出的载荷曲线简化方法和滑移区分布计算方法是可行的。     

多轴随机载荷下的疲劳寿命估算方法

提出了一种多轴随机载荷下的疲劳寿命预测方法.通过雨流计数法对各平面上的剪应变进行循环计数,以统计出的剪应变循环作为多轴疲劳损伤的主要控制参数,将各剪应变循环历程内对应的最大正应力和正应变变程作为多轴疲劳损伤的第二控制参数.根据多轴疲劳寿命模型计算出各平面上的损伤,以最大损伤平面作为多轴随机疲劳的临界平面,通过该临界平面上的损伤计算出多轴随机载荷下的疲劳寿命.采用SNCM630钢,304不锈钢和S45C钢3种金属材料的多轴随机疲劳试验数据对提出的寿命预测方法进行评估和验证.结果表明:疲劳寿命预测结果大都分布在试验结果的2倍分散带之内.     

基于舰船摇摆载荷的推进剂粘接界面疲劳损伤模型

以某固体火箭发动机为例,建立了舰船摇摆载荷作用下发动机药柱粘接界面的疲劳损伤模型。通过推进剂粘接界面定应力往复剪切试验获得了界面的疲劳损伤S-N曲线;选取残余应变为损伤变量,并根据试验数据建立了推进剂粘接界面的疲劳损伤演化模型。试验及研究结果表明,推进剂粘接界面应力幅值和疲劳破坏次数的自然对数满足方程Y=0.748exp(-X/5.663)-0.0261。推进剂粘接界面在舰船摇摆载荷作用下的疲劳损伤量与循环加载比满足方程D=0.1517(1-exp(-β/0.0386))+0.8483(1-(1-β)1.1)。     

基于漏斗试样的C250钢高温扭转低周疲劳行为

C250钢的扭转疲劳破坏是其主要失效形式之一。为了获得航空材料C250钢的扭转疲劳特性,并消除等直圆棒试样在扭转试验中产生的弊端,依据漏斗试样完成了C250钢在3种高温(150、200、350℃)环境下的扭转低周疲劳试验,获得了在扭转低周疲劳下的扭矩-名义扭转角曲线。基于试验结果,利用FAT方法分析得到了C250钢在3种高温环境下的材料循环本构关系,利用该循环本构关系对漏斗试样进行三维扭转有限元分析,获得漏斗根部剪切应力与扭矩之间的转换公式及漏斗根部剪切应变与名义扭转角之间的转换公式。基于以上试验与分析方法,得到了材料的剪切应变幅-倍循环次数曲线、剪切应力幅-循环分数曲线以及剪切应力-剪切应变的稳定滞回线,发现材料呈现出循环软化特性,并基于Manson-Coffin模型对材料寿命进行了分析。     

材料循环应力-应变行为及循环应变寿命的研究

材料的循环应力-应变行为以及循环应变与寿命的关系是材料的主要疲劳特性,用局部应力 -应变法计算构件疲劳裂纹形成寿命时要用到它们。使用这些疲劳特性的不同描述方法给寿命计算带来的误差差别很大。依据试验结果对目前的一些描述方法作出比较,并指出较为合理的选择。     

Effect of interface debonding on matrix multicracking evolution of fiber-reinfroced ceramic-matrix composites

An analytical methodology was developed to investigate the effect of fiber/matrix interface debonding on matrix multicracking evolution of fiber-reinforced CMCs(ceramic-matrix composites). The Budiansky-Hutchinson-Evans shear-lag model was adopted to analyse the micro-stress field of the damaged composites. The critical matrix strain energy criterion, which presupposes the existence of an ultimate or critical matrix strain energy with matrix, was obtained to simulate the matrix multicracking evolution of CMCs. With the increase of the applied stress, the matrix multicracking and fiber/matrix interface debonding occurred to dissipate the additional energy entered into the composites. The fiber/matrix interface debonded length under matrix multicracking evolution was obtained by treating the interface debonding as a particular crack propagation problem. The conditions for no-debonding and debonding during the evolution of matrix multicracking were discussed in terms of two interfacial properties, i.e., the interface shear stress and interface debonded toughness. When the fiber/matrix interface was bonded, the matrix multicracking evolution was much more intense compared with the interface debonding; when the fiber/matrix interface was debonded, the matrix crack density increased with the increasing of interface shear stress and interface debonded energy. The theoretical results were compared with experimental data of unidirectional SiC/CAS(calcium alumina silicate), SiC/CAS-Ⅱ and SiC/borosilicate composites.      

镍基单晶高温合金热机械疲劳行为与寿命建模

通过DD6单晶薄壁管试样机械应变控制热机械疲劳(TMF)试验,获取温度交变、相位角以及载荷控制方式对单晶应力应变响应与疲劳寿命的影响规律。结果表明:温度交变会引起明显的应力不对称性并造成额外损伤,导致TMF寿命明显低于最高循环温度的等温疲劳(IF)寿命,并且反相(OP)循环寿命普遍要低于同等载荷的同相(IP)循环,这种寿命变化趋势与应力控制存在明显差异。采用Walker本构模型进行单晶材料在不同TMF循环下的滑移系黏塑性分析,构建单晶TMF损伤与滑移系细观应力应变参量的关联。在此基础上,选取最大Schmid应力、最大滑移剪应变率、滑移剪应变范围、循环Schmid应力比作为损伤参量,建立基于细观参量的TMF寿命模型,其对不同相位、不同载荷控制方式的TMF寿命预测精度均在2倍分散带内。      

固体火箭发动机柔性接头拉伸载荷下强度分析

柔性接头是固体火箭发动机摆动喷管的执行部件,由若干同心的环状球体的弹性件、增强件以及前后法兰相互交替地粘接在一起而成,采用轴对称有限元法对柔性接头在拉伸载荷下进行了强度分析,得到了在0.5MPa弹射压强的拉伸载荷作用下柔性接头应力分布,由此计算弹性件与增强件之间界面最大拉应力及层间剪应力分别为2.34MPa和0.28MPa,界面粘接强度满足使用要求。