多轴向随机激励下结构疲劳失效的判定方法

对多轴向振动环境下结构振动疲劳失效行为进行了试验研究,提出了2种多轴随机振动疲劳试验试件疲劳失效的判定方法。通过激光测振仪和35670A动态信号分析仪对结构的1阶固有频率进行跟踪监测,通过动态应变测试系统对试件缺口部位的应变进行了实时监测。根据试验数据,分析了多轴向振动环境下疲劳裂纹扩展与固有频率变化和应变变化的关系,确定了2种疲劳失效的试验判定准则,并对2种判定方法的适用性进行了讨论。     

腐蚀疲劳裂纹扩展的在线监测及频率影响

在分析了腐蚀疲劳裂纹扩展数据处理的一般方法之后,提出腐蚀疲劳裂纹扩展数据处理和在线监测的神经网络方法,这种方法弥补了现有疲劳裂纹扩展数据处理和在线监测方法的不足。     

16MnR钢在不同应力比下的疲劳裂纹扩展的试验研究及模拟

采用3.8 mm厚带有圆形缺口的CT试样,研究了16MnR钢在不同应力比的恒幅循环载荷作用下的疲劳裂纹扩展。开发了一种基于疲劳损伤的方法来模拟疲劳裂纹扩展速率。将16MnR钢的循环塑性本构模型通过用户材料子程序UMAT嵌入到ABAQUS中。把有限元计算得到的疲劳裂纹尖端附近区域的弹塑性循环应力应变结果,代入到疲劳损伤模型中,得到每个加载循环在裂尖各点产生的疲劳损伤值。通过疲劳损伤准则,导出疲劳裂纹稳定扩展速率的计算公式。疲劳裂纹扩展试验验证了模拟结果。实验结果和模拟结果都表明,该试样厚度下,应力比对裂纹扩展速率几乎没有影响。     

预测疲劳裂纹扩展的多种理论模型研究

大多数工程断裂是因疲劳而引起的,所以金属材料的低周疲劳和裂纹扩展速率性能一直受到安全设计部门的关注。长久以来,国内外学者在建立金属材料低周疲劳行为和裂纹扩展速率性能之间的关系方面进行了多材料和多角度的研究。基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹扩展失效准则,提出用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。针对国内外相关工作的研究,基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹尖端循环塑性区内的应变能失效准则,提出一个可用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。借助已发表的15种金属材料对应的低周疲劳和裂纹扩展速率性能数据,详细分析和比较所提出的预测模型与其他6种预测模型的预测规律和结果。研究表明,所提出的预测模型能够预测更广泛的金属材料疲劳裂纹扩展速率,并且较其他6中预测模型更符合安全设计的理念。     

SCT试样高应变区疲劳裂纹扩展规律研究

本文研究了SCT试样高应变区的疲劳裂纹闭合效应和疲劳裂纹扩展速率。结果表明:高应变塑性区的存在对疲劳裂纹扩展有较大延缓作用,疲劳裂纹扩展速率可用经U修整后的δ和Paris公式表示,结果与标准试样的结果较为吻合。     

一种确定有效应力强度因子ΔK_(eff)的解析模型

通过对疲劳裂纹尖端应力－应变的分析，提出了一种新的ΔＫｅｆｆ的定义，给出了确定ΔＫｅｆｆ的解析模型。将其应用于不同材料数据的分析，结果表明，该模型能够很好地描述疲劳裂纹的闭合效应，并能够给出裂尖附近的应力－应变响应，从而为更加合理地分析疲劳裂纹的扩展提供了重要的依据。     

基于红外热成像的镁合金疲劳裂纹扩展的研究

采用红外热成像技术监测疲劳裂纹扩展过程中试件表面温度的变化情况,对AZ31B镁合金板材室温下的疲劳裂纹扩展特征进行研究。分析疲劳裂纹尖端温升值与裂纹长度的对应关系,试件表面温度分布差异与裂纹扩展趋势的关系,探索镁合金材料疲劳裂纹扩展的规律。试验结果表明,疲劳裂纹扩展过程中,镁合金表面温度变化经过一个升温、降温的过程,在稳定扩展阶段,温度变化不大,在快速扩展阶段,温度呈明显上升趋势。三组试件最高温升值分别为A试件10.89℃、B试件15.19℃、C试件12.37℃。裂纹尖端及其附近组织观察发现,裂纹尖端发生转向,裂纹总体为穿晶断裂,并伴随少量沿晶断裂,在裂纹附近区域有少量塑性变形。疲劳试件表面的最高温度区域与材料的疲劳损伤机制相关,该区域对应材料的应力集中区,是疲劳微裂纹形成与扩展的部位,温度变化与试件的最终断面相吻合。     

疲劳裂纹扩展速率试验载荷的确定

本文分析了疲劳裂纹的扩展规律,给出了疲劳裂纹在线弹性或小范围屈服状态下,于亚临界扩展时,确定试验载荷的方法,为疲劳裂纹扩展速率试验确定载荷提供一种途径。试验证明,此方法理论充分、可靠简单、经济,有一定推广价值。     

高温疲劳短裂纹萌生与扩展的实验研究

对2．25Cr-1Mo合金钢进行高温疲劳表面短裂纹的观测试验，采用中断试验和复膜方法观测短裂纹萌生扩展的演化过程，研究短裂纹数密度和平均长度随循环次数及载荷条件的变化特征。结果表明，高温疲劳损伤是由晶界孔洞开始的，晶界孔洞相互联结合体形成细观组织短裂纹；短裂纹在接近应力轴垂直方向的晶界上随机萌生和扩展；在寿命前期和中期疲劳损伤以裂纹萌生为主要形式，寿命后期由于裂纹数目增多，裂纹间合体效果增强，促使主裂纹迅速形成和长大，从而导致最终的疲劳失效；加载应变范围越大或温度越高，裂纹萌生和扩展越快，寿命越短。     

回火温度对40Cr钢疲劳裂纹扩展的影响

本文采用三点弯曲压-压疲劳实验方法测量了40Cr钢不同温度回火后疲劳裂纹长度与循环周次的关系曲线。结果表明,低温回火后,40Cr钢在缺口处的起裂抗力高,一旦萌生了一定长度的疲劳裂纹,疲劳裂纹扩展速率明显高于高温回火和中温回火试样;随着回火温度的升高,40Cr钢在缺口处的起裂抗力减小,但疲劳裂纹扩展速率也减小。疲劳断口微观分析表面,在疲劳裂纹扩展初期,低温回火试样的疲劳断口表现出脆性疲劳纹特征,中温回火和高温回火试样主要是二次裂纹组成的疲劳纹,而且随着回火温度的升高,二次裂纹间距减小。在疲劳裂纹扩展中区和瞬断区,低温回火的疲劳断口主要为解理断裂和沿晶断裂特征,中温和高温回火的疲劳断口是以韧窝为主的韧性断裂特征。疲劳裂纹扩展机理的不同导致了疲劳裂纹扩展规律的变化。     

基于动态响应有限元模拟的点焊接头疲劳寿命预测

利用三维有限元模拟和动态响应试验对点焊接头疲劳裂纹萌生和扩展特性进行了研究。利用所模拟的裂纹长度和固有频率的关系,定义了点焊疲劳裂纹扩展的三个阶段。根据所定义的裂纹萌生阶段的定义,利用局部应力应变法预测了点焊接头的疲劳裂纹萌生寿命。结果表明,所预测的疲劳萌生寿命与试验结果相吻合。     

同心环状薄膜传感器阵列及其飞机金属结构裂纹监测研究

飞机金属部件在服役过程中的疲劳损伤严重威胁飞行安全。针对飞机金属结构疲劳裂纹实时监测需求,提出一种与结构基体一体化集成的同心环状薄膜传感器阵列及其裂纹监测方案。对同心环状薄膜传感器阵列进行了设计与优化。应用表面处理技术对基体表面进行绝缘处理,应用脉冲偏压电弧离子镀技术制备同心环状薄膜传感器阵列。应用同心环状薄膜传感器阵列开展结构模拟件疲劳损伤监测试验。监测试验结果表明：薄膜传感器对裂纹非常敏感;当结构起裂或裂纹前缘扩展至薄膜传感器监测区域时,相应薄膜传感器的监测电压信号快速增加;当裂纹扩展穿越监测区域时,相应薄膜传感器的监测信号阶跃上升,监测通道失效;将薄膜传感器监测数据变化特征作为结构起裂、裂纹前缘扩展至相应监测区域以及扩展出监测区域的判断标准,同心环状薄膜传感器阵列可以实现疲劳裂纹的定量监测,监测精度为1 mm;根据内侧薄膜传感器监测数据变化,还可以定性分析结构疲劳累积损伤程度。     

高频谐振载荷作用下Ⅰ型疲劳裂纹尖端力学参数变化规律

为研究高频谐振式疲劳裂纹扩展试验中带有Ⅰ型预制裂纹的紧凑拉伸(CT)试件裂纹尖端力学参数的变化规律,利用动态有限元方法,采用ANSYS和MATLAB软件编写程序,计算了CT试件在高频恒幅正弦交变载荷作用下,在一个应力循环及裂纹扩展到不同长度时裂纹尖端区域的位移、应变场及裂纹尖端的应力强度因子,并分析了其变化规律。在计算裂纹尖端应力强度因子时,首先采用静态有限元方法和理论公式验证了有限元建模和计算的正确性,然后采用动态有限元方法研究了裂纹扩展过程中裂纹尖端应力强度因子的变化规律。最后进行了高频谐振式疲劳裂纹扩展试验,采用动态高精度应变仪测量了裂纹扩展到不同阶段时裂纹尖端点的应变,并对有限元计算结果进行了验证。研究结果表明：在稳态裂纹扩展阶段,高频谐振载荷作用下Ⅰ型疲劳裂纹尖端位移、应变及应力强度因子均为与载荷同一形式的交变量;随着裂纹的扩展,Ⅰ型疲劳裂纹尖端的位移、应变及应力强度因子幅不断增大;静态应力强度因子有限元计算值和理论值的误差为2.51%,裂纹尖端点应变有限元计算结果和试验结果最大误差为2.93% 。     

某机翼结构细节抗疲劳优化设计

针对某型飞机在使用过程中中外翼下壁板产生的裂纹故障，根据故障产生的原因，运用优化设计方法，建立以该部位疲劳寿命和结构增加重量为优化目标的数学模型；改进机翼下壁板故障部位的结构设计；对比分析优化前后结构的寿命。使该部位结构的改进设计在重量增加较少的条件下，疲劳寿命较长，满足飞机的实际使用。     

轿车后轮毂轴早期疲劳断裂的原因分析

采用扫描电子显微分析和电子探针成分分析等检测方法,比较研究了国产轿车后轮毂轴与德国产轿车后轮毂轴的材料的显微组织与疲劳寿命,同时对材料的缺陷进行分析,找出了国产轿车后轮毂轴的早期疲劳失效的原因,试验结果证明在材料当中存在大量的冶金缺陷,在缺陷处检测出大量的Mo、Cr、Ca、Cl、O、Na和K等,且为疏松状“孔洞”,基体材料中不含Mo元素,说明没有达到合金化的目的。这些“孔洞”的存在是疲劳裂纹过早产生的根本原因。试验结果为国产轿车后轮毂轴的材料选用提供理论依据。     

多轴随机载荷下断裂平面的确定方法

在分析材料平面切应变特性的基础上,提出权值平均最大切应变平面的概念,给出多轴随机载荷下断裂平面的确定方法。该方法中,以材料损伤为权值函数,平均最大切应变峰值点对应的平面方向。通过多轴比例、非比例加载试验验证权值平均最大切应变平面与疲劳裂纹萌生平面的相关性。     

点焊接头疲劳损伤过程中的固有频率变化特性研究

利用有限元模拟和动态响应实验对单点点焊接头的疲劳过程中固有频率变化的特性进行研究.结果表明,三维有限元模拟与实验结果相吻合,能较好地模拟点焊接头在两种疲劳裂纹萌生和扩展的过程中频率的变化情况.并利用所模拟的裂纹长度和固有频率的关系,总结出最适宜对疲劳损伤进行研究的模态阶数.     

Analysis on acoustic signal characteristics of the fatigue cracks in anchor structure of cable-stayed bridge tower

The full size model fatigue test on the anchor structure of cable-stayed bridge tower was engaged in laboratory. The acoustic emission instrument was used to monitor the fatigue cracks continuously in the fillet of the anchorage, to investigate the acoustic signal characteristics. Through different ways of loading, the periodic variation of acoustic signals, and crack propagation parameters of the acoustic signals are obtained. By continuously monitoring of the acoustic signal of the fatigue cracks, it can be possible to find the location of the fatigue cracks, and the time it generates. According the active changes of the acoustic signals of the fatigue crack via continuous monitoring, the propagation tendency of the crack in the anchor structure of the cable-stayed bridge tower can be predicted. This method provides support for the crack detection and on-line real-time monitoring by acoustic emission.     

结构疲劳损伤的声发射检测可靠性研究

针对声发射技术对金属结构损伤的检测可靠性问题,以金属疲劳裂纹检测试验为基础,利用声发射特征参数的趋势分析和关联分析法,首先根据贝叶斯理论,计算了声发射对一定长度疲劳裂纹的检测概率;其次,研究了检测结构起裂时对应声发射幅度参数的阈值及其对损伤判断的影响。该研究可为减少声发射检测中的金属疲劳损伤信号误判,提高检测效率,以及确定复杂航空结构疲劳寿命提供支持。