耦合服役环境下高耐久性薄膜传感器裂纹监测

现有裂纹监测技术多存在耐久性差、虚警率高的问题。以物理气相沉积（PVD）薄膜传感器为研究对象,提出了提高其耐久性的方案,并检验了其在耦合服役环境下的监测性能。首先,选定了Cu作为使传感器耐久性最佳的导电传感层沉积材料,并采用离子镀氮化铝（AlN）薄膜和涂覆705硅胶对PVD薄膜传感器进行了封装保护;然后,综合考虑服役环境因素,编制加速环境谱,将经过封装的制备有薄膜传感器的试验件进行环境耦合加速试验;最后,对环境试验后的薄膜传感器开展疲劳裂纹监测试验,并将薄膜传感器监测结果与显微镜观察测量结果进行对比。试验结果表明：薄膜传感器能承受1 000 h严酷环境的考验,具有较高的耐久性和稳定性;环境试验后的薄膜传感器对裂纹变化敏感,PVD薄膜传感器的监测结果与基体裂纹扩展的实测信息相一致,PVD薄膜传感器的电位监测信号可以作为裂纹扩展状态和结构损伤程度的监测判据,PVD薄膜传感器可以实现对金属结构裂纹的定量监测,监测精度可达到1 mm。     

基于权函数法的应力强度因子计算和断裂评估

仅利用一个参考载荷,建立一种近似公式来计算共线裂纹和中心裂纹的张开位移。通过该方法确定的裂纹面张开位移及其偏导与精确解之间吻合良好。该方法将中心裂纹的权函数计算模型简化为形状因子和裂纹面张开位移偏导之间的积分。基于权函数法,研究了带中心裂纹的旋转叶片的应力强度因子与裂纹长度、位置、转速及转动加速度之间的关系。结果发现:应力强度因子随着裂纹长度的增加和裂纹与旋转轴间距的减小而增大;转动加速度对应力强度因子的影响较小;转速的增大会使应力强度因子增大。在断裂力学理论的基础上,建立了断裂控制准则,计算表明叶片的临界转速随着裂纹长度的增加而降低。     

Evaluation of mixed mode-I/II criteria for fatigue crack propagation using experiments and modeling

In this study, in-plane mixed mode-I/II fatigue crack growth simulations and experiments are performed for the Al 7075-T651 aluminum alloy which is widely used in the aerospace industry. Tests are carried out under different mode mixity ratios to evaluate the applicability of a fracture criterion developed in a previous study to mixed mode-I/II fatigue crack growth tests. Results obtained from the analyses and experiments are compared with existing and developed criteria in terms of crack growth lives. Compact Tension Shear (CTS) specimens, which enable mixed mode loading with loading devices under different loading angles, are used in the simulations and experiments. In an effort to model and simulate the actual conditions in the experiments, crack surfaces of fractured specimens are scanned, crack paths are modeled exactly, and contacts are defined between the contact surfaces of a specimen and the loading device for each crack propagation step in the analyses. Having computed the mixed mode stress intensity factors from the numerical analyses, propagation life cycles are predicted by existing and the developed mixed mode-I/II criteria and then compared with experimental results.     

腐蚀环境下铜薄膜传感器金属结构裂纹监测

铜薄膜传感器在飞机金属结构损伤监测过程中,将长期面临大气腐蚀环境的影响。针对此背景,研究了铜薄膜传感器在腐蚀环境下的耐蚀性能,及腐蚀后的疲劳裂纹监测性能。首先,采用脉冲偏压多弧离子镀技术在不同弧电流和基体负偏压水平下制备了一系列铜薄膜,对其耐蚀性能进行了对比研究。结果表明,在弧电流60 A和基体负偏压250 V时沉积的铜薄膜耐蚀性能最佳。然后,结合耐蚀性能最佳的沉积工艺参数,在2A12-T4铝合金中心孔板试件上制备了同心环状铜薄膜传感器阵列,并开展了盐雾腐蚀试验。最后,对腐蚀试验后的铜薄膜传感器进行了疲劳裂纹监测试验。结果表明:铜薄膜传感器在腐蚀环境下具有良好的耐蚀性能,耐蚀时间达1 000 h;腐蚀试验后的铜薄膜传感器对裂纹变化敏感,能实现对裂纹定量监测,监测精度为1 mm,监测结果具有良好的可重复性。     

多点裂纹起始过程的计算机模拟

在多点裂纹起始的情况下,可以观察到多个微观裂纹的萌生和早期扩展,所以宏观裂纹形成的寿命估算是比较复杂的。本文介绍一种二维计算机模型,模拟一种马氏体钢F82H的多点裂纹起始过程,损伤的累积程度通过单位面积裂纹密度表示,微裂纹萌生循环数通过Tanaka-Mura公式确定。该模型可以模拟材料的微观结构参数(如晶粒尺寸和取向)对裂纹萌生寿命的影响,给出定量的寿命估算表达式。模拟的裂纹密度和循环数的关系与试验结果符合得相当好。     

陶瓷材料压缩加载下的动态失效研究

利用脆性材料的动态应力强度因子与裂纹传播速度相关,考虑氧化铝陶瓷动态断裂韧性与静态断裂韧性的差异,采用新的裂纹扩展破坏判据对分枝裂纹阵模型进行改进。在SHPB（分离式Hopkinson压杆）上进行了单轴应力和单轴应变实验,所测得的实验结果与改进的分枝裂纹阵模型计算结果符合较好。     

直升机典型结构裂纹扩展路径模拟及分析研究

目前对于直升机上结构裂纹扩展路径预测大部分是依靠经验判断,缺乏理论数值模拟及有效的分析方法。本文基于adaqus有限元软件并结合实践经验设置初始裂纹,选取典型直升机结构进行了裂纹扩展仿真模拟,对结构加载方式、腐蚀区域以及加强槽因素等对裂纹扩展的影响进行了相关探讨研究。文章所述方法和结论对于直升机结构的裂纹扩展路径预测及损伤容限设计提供了新的思路,对工程设计有一定的改进参考意义。     

广义有限元法计算飞机开口裂纹应力强度因子

机身开口圆角损伤可能逐渐形成裂纹从而严重影响飞机使用安全,为此对圆角裂纹进行剩余强度估算显得十分重要。使用Williams位移场广义有限元法进行裂尖单元加强,并对裂尖区域应用放射形网格划分技术,编写广义有限元法的MATLAB程序,研究并计算飞机舱门开口圆角裂纹的应力强度因子。结果表明：在裂纹分析上,广义有限元法较常规有限元法具有更好的适应性和更高的精度。     

晶体塑性模型及其在金属疲劳寿命预测中的应用

作为细观尺度上描述各向异性非均质材料塑性变形行为的重要方法，晶体塑性模型能够基于晶体材料的微观组织结构预测其宏观力学性能，在航空航天金属的力学性能设计及评估中展现出应用前景。本文总结了晶体塑性模型的发展历程和不同变种，从流动准则、硬化模型和内部状态变量演化3个角度对比分析了唯象晶体塑性模型与基于物理机制的晶体塑性模型的特点与差异；然后介绍了基于疲劳指示参数和寿命评估准则的晶体塑性有限元在金属疲劳寿命预测领域的应用尝试，以航空航天常用金属疲劳裂纹萌生寿命预测为例，给出了部分应用实例表明不同模型的预测能力和适用性；最后展望了晶体塑性模型和应用的未来发展趋势和有待加强的研究方向。     

AA7075-T6 Ⅰ-Ⅱ复合疲劳裂纹扩展研究北大核心CSCD

通过AA7075-T6铝合金在不同加载角度下的Ⅰ-Ⅱ复合高周疲劳裂纹扩展试验,利用FRANC3D中M-积分计算了复合型裂纹尖端的等效应力强度因子幅值,结合七点递增多项式对数据处理,得出了复合疲劳裂纹扩展速率曲线,分析了复合疲劳性能,并探讨了复合裂纹扩展的路径及断口特性。结果给出了纯Ⅰ型疲劳裂纹扩展速率曲线在稳定扩展阶段的Paris公式的参数;并表明:Ⅰ型疲劳裂纹扩展寿命最长,复合疲劳裂纹扩展寿命都有不同程度的减少;复合疲劳裂纹开裂方向的数值分析及实验结果与理论吻合;复合疲劳断口表现为脆性断裂。