基于裂纹扩展的两级加载下的疲劳-蠕变寿命预测

取加载一个周期内拉应力作用下的应变能密度增量为材料的损伤变量,由迟滞回线所围面积导出了该损伤变量的计算式;依据材料被损伤会使裂纹扩展,裂纹的扩展会导致试件发生断裂的事实,以J积分为裂纹扩展的控制参量,将裂纹扩展看作纯疲劳损伤与蠕变损伤二者共同的贡献,考虑疲劳-蠕变的交互作用,导出了在两级应力加载下的疲劳-蠕变寿命的表达式;该表达式与加载的波形、材料的疲劳-蠕变速率相关.应用该表达式对316L钢在550℃两级应力梯形波加载下的疲劳-蠕变寿命进行了预测,预测值在1.5倍误差因子以内,预测精度较高.     

疲劳载荷下高温波齿复合垫的蠕变波动行为

研究了疲劳载荷下柔性石墨金属波齿复合垫的力学性能和蠕变性能. 对垫片进行了373 K和573 K两种温度下的循环加载实验,基于得到的应力-变形量实测数据,通过计算压缩模量和卸载模量分析了其压缩回弹特性;考虑温度和金属骨架厚度的变化,探索了蠕变-疲劳的交互作用对垫片的影响. 研究表明:疲劳载荷下随着时间增长垫片压缩速率增加,回弹速率减小;在稳态蠕变阶段,蠕变-疲劳载荷的交互作用使垫片的蠕变曲线出现周期性波动,波动周期不随实验条件改变而改变.     

钢疲劳与循环蠕变交互作用损伤力学模型

为了对疲劳与循环蠕变交互作用下的损伤进行定量描述，采用一种新的损伤参量“等效模量”来定义损伤变量，提出了一种损伤力学模型，该模型能够综合体现最大应力和温度的影响.通过16MnR钢在中温应力控制条件下的脉动循环试验，测出在相同温度、不同最大应力以及相同最大应力、不同温度下的损伤变量变化规律.在适当假设的基础上，得到16MnR钢在不同最大应力、不同温度下的疲劳与循环蠕变交互作用的损伤表达式.结果表明，该损伤参量及损伤模型适用于描述在疲劳与循环蠕变交互作用下的损伤进程.     

1.25Cr0.5Mo钢疲劳蠕变及免于蠕变失效分析

为对高温环境下CrMo钢设备的安全使用进行评估，提出了1.25Cr0.5Mo钢免于蠕变评定的判定条件.进行了1.25Cr0.5Mo钢540　℃环境下应力控制的疲劳蠕变交互作用的试验，得到了材料的循环硬化特性曲线，并对不同应力幅和平均应力条件下非弹性应变、平均应变、非弹性应变能随循环周次的变化规律进行了研究，建立了第一类、第三类疲劳蠕变交互作用断裂特征图.研究结果发现，在应力幅略小于平均应力的条件下，材料产生疲劳蠕变交互作用，材料断裂寿命下降较快，材料断裂延性达到最低.当应力幅大于等于平均应力时，可忽略蠕变因素的影响，材料可免于蠕变评定.     

两种汽轮机转子钢蠕变-疲劳裂纹扩展特性对比

研究了1Cr10Mo1W1Ni VNb N钢和30Cr1Mo1V钢的裂纹萌生时间与初始应力强度因子及保载时间之间的关系,比较了两种钢的蠕变、疲劳特性,讨论了线性损伤累积模型的实用性,并分析了蠕变-疲劳裂纹扩展行为与时间和循环的相关性.试验结果表明:拟合关联式满足精度要求,能够进行裂纹萌生时间寿命预测;线性损伤累积模型仅适用于保载时间比较短的蠕变-疲劳裂纹扩展试验,其裂纹扩展受控于循环条件.长保载时间的蠕变-疲劳交互作用比较明显,裂纹扩展受控于时间条件.     

2.25Cr-1Mo材料蠕变／疲劳交互作用下寿命评价

采用2.25Cr—1Mo无预裂纹和带预裂纹环状缺口圆柱形试样,进行了多维应力状态下无保持周期应变控制的高温低周疲劳试验,利用有限元程序对试样缺口周围及裂纹尖端附近的应力、应变场进行了分析,分别得到用当量弹性应变范围Δε_e、当量塑性应变范围Δε_p、当量蠕变应变范围Δε_c和当量应变范围Δε表示的材料在400℃、0.2％s~(-1)应变速率下的高温低周疲劳总寿命和裂纹扩展寿命方程。利用Matlab对试验结果进行非线性多元回归,得到用疲劳成分、蠕变成分和蠕变/疲劳交互作用成分三者的非线性组合来表征的材料无保持周期应变控制的疲劳总寿命和裂纹扩展寿命评价方程,即认为整个试样的失效过程中存在着蠕变/疲劳交互作用,正是这种蠕变/疲劳交互作用的存在导致了试样或构件的疲劳总寿命和裂纹扩展寿命的降低,定量的表征了蠕变/疲劳交互作用对材料疲劳总寿命和裂纹扩展寿命的影响。     

沥青混合料拉伸疲劳试验下疲劳损伤特性研究

利用MTS810型电液伺服试验系统对沥青混凝土小梁试件在低温下进行了常应变的等应变率加载模式的拉伸疲劳试验.试验时按三角波形加载,并考虑了不同拉伸应变水平.由试验结果得到了不同应变水平下的沥青混合料峰值拉伸应力值并计算了每个循环内的耗散能.由疲劳试验结果结合能量原理提出了一种考虑拉伸应变水平的疲劳损伤模型.     

挤压变形AZ81镁合金的疲劳变形与断裂行为

研究镁合金的疲劳行为，可为镁合金的抗疲劳设计和合理使用提供可靠的理论依据.通过总应变幅控制的疲劳实验和断口形貌分析，确定了挤压变形AZ81镁合金的循环应力响应行为、疲劳寿命行为和断裂机制.结果表明：在应变控制的疲劳加载条件下，挤压变形AZ81镁合金呈现明显的循环应变硬化，其弹性应变幅、塑性应变幅与断裂时的载荷反向周次之间的关系可分别用Basquin和Coffin-Manson公式来描述，得到了拉伸滞后能的理论计算值与应变疲劳寿命之间呈线性关系、疲劳裂纹的萌生和扩展均以穿晶模式进行的结论.     

预加应变对硫化橡胶损伤性能影响的试验研究

通过对一种硫化橡胶在单轴拉伸条件下进行的循环加载试验,得到了不同速率和不同预应变条件下材料的应力-应变关系曲线,由此分析了不同加载速率及预应变条件对硫化橡胶材料力学性能的影响.分别以应变能密度峰值、加载段所围面积和弹性模量法计算损伤参量,基于试验结果分析了硫化橡胶在不同预加应变条件下的损伤性能.研究结果表明:循环加载情况下,硫化橡胶的主应力峰值随加载速率的升高而增大,力学性能随循环次数的增加而趋于稳定;在预加应变条件下,硫化橡胶材料的损伤变化呈非线性增长,预应变量保持在0.3倍拉伸比以内能达到较好的使用效果.     

高温多轴变幅疲劳损伤累积

为进行高温多轴变幅疲劳寿命预测,以应力幅作为损伤变量,采用经典的Chaboche模型进行多轴疲劳损伤计算.多轴加载下等效应力的确定是根据单轴加载下的本构关系,利用多轴等效应变求出等效应力.修正Chaboche疲劳累积损伤模型中应力指数表达式的形式,根据Chaboche损伤累积模型,求解变幅加载下的疲劳损伤.推导出多级加载的Chaboche疲劳损伤累积公式,将其用于变幅加载块的疲劳损伤估算.寿命预测结果与试验结果接近,误差基本在2倍因子之内,说明了寿命估算方法的可行性.     

钢材的低周疲劳特性及双曲面本构模型的改进

为合理评估钢结构的地震损伤,研究结构钢的塑性变形与低周疲劳之间的耦合关系以及循环软化特性.通过对Q345qC钢材进行高应变反复加载试验,获得了相应的低周疲劳破坏和循环软化特性.通过研究承载力下降与塑性耗能密度之间的关系及对边界面进行缩放和移动,将循环软化特征引入材料的本构关系模型.在此基础上,采用改进后的本构关系模型对钢桥墩进行了反复荷载作用下的力学行为分析,讨论了循环软化对构件承载能力的影响.结果表明:Q345钢材具有较好的延性和较强的抗低周疲劳性能,试验未发现钢材塑性变形与低周疲劳之间存在明显的相关性;循环软化特征在较大的塑性应变状态下表现得更明显,修正后的双曲面本构关系模型可以较好地模拟钢材循环软化行为;考虑材料循环软化效应后,钢桥墩在反复荷载或地震作用下的承载力略有降低.     

多轴比例加载下疲劳短裂纹扩展速度的探讨

多轴加载下疲劳短裂纹的研究,是近几年来才触及的一个新领域。文章分析了多轴比例载荷与单轴载荷的等效性。提出了多轴比例加载不会改变材料力学性能的假设,在临界面上用能量密度法,类比单轴加载的研究过程,导出了多轴比例加载下疲劳短裂纹扩展速度的计算公式。     

A fatigue damage model for rock salt considering the effects of loading frequency and amplitude

With the large-scale construction of underground gas storage in salt deposit, much more efforts have been made to assess the fatigue properties of rock salt. The fatigue damage processes the primary, steady,and accelerated phases, which is similar to the axial irrecoverable deformation compiled from the loci of the loading cycles of rock salt. The cumulative fatigue damage increases with a decrease in the loading frequency and with an increase in the stress amplitude within the range tested. To take into account the effects of loading frequency and amplitude on the fatigue behavior of rock salt subjected to cyclic loading, a low cycle fatigue damage model was exclusively established combined with the Manson–Coffin formula. The proposed damage evolution equation was validated with experimental results and proved to be efficient in the prediction of fatigue damage tendency of rock salt under different loading frequencies and amplitudes.     

Q345高周疲劳失效机理及固有耗散能研究

双相钢Q345多用于建筑或机械结构的承力构件,循环载荷的长期作用使得构件在低于其静强度的载荷条件下发生疲劳断裂,经济可靠的强度设计需要对材料的疲劳失效进行研究。作者利用电磁谐振高频疲劳试验机,在载荷频率140 Hz、应力比为-1条件下,得到不同失效概率时材料高周疲劳（10⁴周次< 疲劳寿命< 10⁷周次）应力-寿命（S-N）曲线。利用扫描电子显微镜观察材料受到循环载荷作用后的显微结构的变化和疲劳失效后试样的断面微观形貌,研究材料疲劳裂纹的萌生和扩展。同时,利用红外热像仪记录Q345试样表面的温度场随循环载荷作用周次的变化,研究材料在高频循环载荷作用下的固有耗散能。双相钢Q345在高频循环载荷作用下的疲劳失效主要是由于铁素体-珠光体双相结构在循环载荷作用下的微观强度差异使得微观裂纹首先萌生于相对薄弱的铁素体晶粒,且随循环载荷周次的增加而裂纹逐渐扩展。珠光体晶粒对疲劳裂纹的扩展起阻碍作用,使得疲劳裂纹沿铁素体或铁素体与珠光体之间的晶界向前扩展。当载荷幅值低于其高周疲劳极限时,试样表面温升不明显;有限寿命的载荷条件下,试样表面温度场的变化受到材料微观变形的影响,基于试样表面温度场的变化,能快速确定材料的高周疲劳强度极限。高频循环载荷作用下,单位体积材料的固有耗散能与载荷之间呈非线性关系,在热力学框架内建立了材料的固有耗散能表征模型。     

Fatigue behavior and cumulative damage rule of concrete under cyclic compression with constant confined stress

Fatigue is one of the main destructing forms ofsuch civil engineering structures as concrete bridges,concrete pavements, concrete crane beams, concretesleepers, concrete offshore platforms, etc. These struc-tures may be subjected to uniaxial and biaxial compres-sion fatigue loading caused by vehicles, crane vibra-tions, wind, and/or waves. Many studies have beencarried out to characterize the fatigue behavior of con-crete under uniaxial stress states[1 ~3]. Literature on thebehavior of concret…     

Q345qC钢及焊接接头低周疲劳性能与断裂机理

为了研究Q345qC钢材及焊接接头的低周疲劳性能,对母材及焊接试样在总应变为2.0%~5.0%的条件下进行低周疲劳试验.基于Coffin-Manson公式拟合两者的低周疲劳寿命预测曲线,结合单调拉伸试验结果,比较不同疲劳寿命预测模型的精度;通过断口电镜扫描分析焊接接头的裂纹萌生机理以及焊接缺陷对疲劳寿命的影响;用Miner损伤累积准则给出两者的低周疲劳损伤指标计算式.结果表明,在同一应变水平下,焊接接头疲劳寿命仅为母材的31%~50%;母材的循环响应特征为循环稳定,焊接接头为循环软化;母材及焊接接头在半寿命稳定循环状态下的耗能能力相近;考虑单调拉伸的Coffin-Manson公式,对两者低周、超低周疲劳寿命均可进行较精确的预测;焊接缺陷容易引起焊接接头萌生疲劳裂纹,使疲劳寿命显著降低.     

Experimental study on the deformation behaviour,energy evolution law and failure mechanism of tectonic coal subjected to cyclic loads

Compared to intact coal, tectonic coal exhibits unique characteristics. The deformation behaviours under cyclic loading with different confining pressures and loading rates are monitored by MTS815 test system, and the mechanical and energy properties are analysed using experimental data. The results show that the stress–strain curve could be divided into four stages in a single cycle. The elastic strain and elastic energy density increase linearly with deviatoric stress and are proportional to the confining pressure and loading rate; irreversible strain and dissipated energy density increase exponentially with deviatoric stress, inversely proportional to the confining pressure and loading rate. The internal structure of tectonic coal is divided into three types, all of which are damaged under different deviatoric stress levels, thereby explaining the segmentation phenomenon of stress–strain curve of tectonic coal in the cyclic loading process. Tectonic coal exhibits nonlinear energy storage characteristics, which verifies why the tectonic coal is prone to coal and gas outburst from the principle of energy dissipation. In addition, the damage mechanism of tectonic coal is described from the point of energy distribution by introducing the concepts of crushing energy and friction energy.