疲劳裂纹扩展寿命的估算方法及实例

本文阐述了疲劳裂纹扩展寿命的估算方法及其有关的概念,综述了在缺少某些断裂力学性能试验数据的前提下如何估算疲劳裂纹扩展寿命,提出工程构件计算实例并对影响裂纹扩展的某些因素进行理论和数值分析.     

油气管线裂纹型缺陷的疲劳寿命预测

利用文献数据,采用Paris公式计算和分析合轴向表面裂纹的油气输送用X60管线钢的疲劳裂纹扩展过程,通过对比舍裂纹缺陷油气输送管的全尺寸实物疲劳试验结果,对所采用的基于失效评定图技术的含裂纹缺陷管道疲劳寿命预测方法的计算结果进行了间接的试验验证。结果表明,含缺陷管道的疲劳寿命数值计算结果与试验结果相吻合,采用小试样测试结果经Newman法修正后进行油气输送管道的疲劳寿命计算和分析是可行的。     

计及板厚腐蚀的半潜式平台疲劳裂纹扩展评估

针对半潜式平台疲劳裂纹剩余扩展寿命的计算和预测问题,本文在计及板厚腐蚀的前提下,针对半潜式平台立柱与横撑连接部位的疲劳裂纹进行扩展评估。依照规范选取合适板厚减小系数,利用指数速率模型计算板厚20 a后的腐蚀余量,输入剩余板厚尺寸进行结构整体和局部的响应分析。利用波浪散布数据与传递函数获得离散化的随机疲劳载荷,应用裂纹扩展率单一曲线模型进行裂纹扩展计算,在扩展循环中加入失效评估图FAD进行安全评估,计算得出的裂纹临界尺寸与寿命均比完整板厚下的数值小,而应用单一恒定幅值载荷加载的裂纹扩展寿命比离散化随机载荷加载的数值小。结果表明:在海洋平台结构响应分析中计入板厚腐蚀的影响,利用离散化方式处理随机疲劳载荷与应用FAD进行裂纹扩展安全评估,能提高评估过程及计算结果的合理性。     

橡胶球铰疲劳裂纹扩展寿命预测

通过橡胶纯剪试样疲劳裂纹扩展试验,得出了裂纹扩展速率与撕裂能之间的关系;以单位撕裂能范围为损伤参量,建立了复杂应力状态下的橡胶疲劳裂纹扩展寿命预测模型.基于ABAQUS有限元结构分析和橡胶材料等效应力计算方法,得出橡胶球铰在疲劳载荷下的单位撕裂能范围;对橡胶球铰的疲劳裂纹扩展寿命进行分析预测,并通过产品台架疲劳实验进行验证,结果表明橡胶球铰经过200万次疲劳试验后无明显裂纹,没有发现失效破坏,与寿命预测值基本吻合.     

基于多裂纹扩展随机模型估算疲劳寿命的方法研究

随机变量多裂纹随机模型可以很好地体现多裂纹结构件的破坏寿命及破坏模式,具有很大的分散性,但是该随机模型难以直接用数值方法求解.文中给出了一种处理整个裂纹扩展过程的递推求解区间内裂纹扩展长度的方法,同时提出了更为合理的变间隔分段处理方法来解决计算精度和计算量间的矛盾.基于该方法,文中对共线孔有限宽薄板受远场均匀栽荷作用的试样进行了计算分析.由结果可以看出,所提方法能很好地解决随机变量多裂纹随机模型在估算结构件疲劳寿命时所带来的困难,对求解长寿命、大规模多裂纹结构件疲劳寿命问题有很大的帮助.     

带孔元件裂纹形成及裂纹扩展的全寿命计算方法

本文结合局部应力应变法和断裂力学方法提出一种全寿命计算模型。模型中用到α_(min)和α_0两个裂纹长度的概念。α_(min)是使断裂力学计算方法可应用的最短裂纹长度。α_0是以95％置信水平和0.90以上觉察概率可测的最短工程裂纹长度。工程初始裂纹形成寿命由局部应力应变法和断裂力学方法结合起来计算。裂纹扩展寿命由断裂力学方法计算。本文对铝合金LY12-CZ中心带孔试片在程序谱载荷下的全寿命进行了计算和试验。计算与试验结果符合良好。本文方法具有工程意义并适合计算机运算。     

TC17高温高周旋转弯曲疲劳实验研究

本文利用高温旋转弯曲疲劳试验系统,完成了用于航空发动机的高强钛合金TC17在常温、200℃和350℃条件下的疲劳性能的实验,主要研究了温度对TC17疲劳强度和裂纹扩展率的影响. 通过测量试件在试验过程中的挠度变化,对比分析了不同温度下的疲劳裂纹扩展速率.并通过断口分析研究了裂纹萌生与扩展行为.本研究结果发现,在TC17高周疲劳破坏过程中,裂纹萌生寿命占整个疲劳寿命90%以上,高温不仅促进了裂纹的萌生而且促进了裂纹的扩展.     

晶须增强铝合金中短裂纹的疲劳扩展速率

应用微观力学方法研究晶须增强铝合金中短裂纹的扩展速率,为预报短裂纹寿命提供依据。通过晶须增强铝合金中疲劳短裂纹扩展过程的分析,利用裂纹扩展的能量释放率给出短裂纹的疲劳扩展速率方程,数值计算结果与实验结果相吻合,裂纹扩展速率具有波浪式向前发展的特点。     

对接焊缝残余应力对疲劳裂纹扩展的影响

研究了平板对接焊缝的疲劳裂纹扩展问题,提出了一种考虑残余应力场重分布的裂纹扩展寿命计算方法.基于Terada提出的焊接残余应力场随裂纹扩展重分布的模型,在裂纹扩展过程中不断更新残余应力引起的应力强度因子和应力比并在此基础上计算构件裂纹扩展寿命.采用该方法分析了某焊接钢板的裂纹扩展寿命,并和不考虑残余应力场重分布的叠加法进行了对比.研究表明,提出的基于焊接残余应力场的疲劳裂纹扩展分析方法更加符合实际情况,可以预测出相对准确的裂纹扩展寿命.     

平面复合型疲劳裂纹扩展问题

本文要解决的是平面复合型疲劳裂纹扩展方向以及疲劳寿命的预测问题。主要内容如下: 1.提出“等双剪应力线上δθmax平面复合型裂纹开裂判据”。与其它判据相比较;本判据所预测的裂纹开裂方向更接近于疲劳裂纹扩展试验的结果。 2.文中指出:是Z形裂纹的分支方向,而不是其主裂纹方向,在Z形裂纹的K_Ⅰ,K_Ⅱ值中起着支配性的作用。接着提出二个计算Z形裂纹应力强度因子的近似方法。 3.为预测复合型疲劳裂纹扩展的寿命,文中提出了一个新的裂纹扩展速率表达式,即折合张应力强度因子指数公式。此式所预测的寿命较接近于实验值。 最后,还讨论了应用主应力强度因子K~*,应变能释放率G,应变能密度因子S,预测复合型疲劳裂纹扩展的寿命问题。     

带裂纹自增强设备的疲劳寿命估算

文中分析了内壁含有纵向裂纹的厚壁圆筒的应力强度因子的表达式，指出其中自由表面影响系数的Ｎｅｗｍａｎ－Ｒａｊｕ解是计算厚壁圆筒疲劳裂纹扩展寿命的首选表达式，同时还指出自增强处理能大幅度提高疲劳裂纹的扩展寿命，１００％的超应变处理有最长的疲劳寿命     

蒙特卡罗法和一次二阶矩法在压力容器疲劳分析中的应用

通过分析影响裂纹扩展寿命的多个随机因素,使用疲劳寿命模型,讨论了裂纹尺寸的计算方法。考虑压力容器所承受载荷、材料断裂韧性、裂纹尺寸等参数,使用一次二阶矩方法和Monte Carlo法计算,得出了在一定可靠度下的疲劳裂纹扩展寿命,并计算了在一定使用寿命时结构的失效概率。比较了不同初始裂纹尺寸对疲劳寿命的影响。算例表明,它在疲劳寿命的可靠性估计中的应用及其工程意义。为工程界进行含裂纹结构的概率损伤容限评估提供一定的理论依据。     

铁路钢桥节点复合裂纹扩展剩余寿命的研究

对铁路钢桥节点复合裂纹的扩展路径和剩余寿命进行了研究,提出了复合裂纹扩展路径模拟和剩余寿命评估的计算方法。以一座既有铁路钢桁架桥为研究背景,基于子模型法,建立全桥壳体模型和含初始裂纹的钢桥节点实体模型,获取列车荷载作用下钢桥关键节点的精确动应力响应时程,采用相互作用积分法和Forman公式分析出裂纹扩展路径和评估其剩余寿命。结果表明,对于钢桥关键节点位置处,裂纹沿斜下方扩展,不断靠近纵向箱梁;钢桥寿命在裂纹扩展前期占有较大比重,当裂纹扩展到总裂纹长度的25%时,寿命百分比可达45.3%,而在裂纹扩展后期的扩展速率有明显增加;结合列车实际过桥频率,计算得铁路钢桥寿命为14.02年。     

含裂纹铆钉搭接板的权函数法与扩展寿命分析

铆钉搭接结构是典型的多位置损伤敏感结构,容易在多个铆钉孔边萌生疲劳裂纹,进而威胁飞机结构安全。由于裂纹个数、位置和大小随机多变,铆钉与平板间存在复杂的接触关系。为高效、准确计算多铆钉搭接板的应力强度因子以进行裂纹扩展寿命分析,提出针对搭接结构复杂裂纹问题的权函数分析方法。首先,对多铆钉搭接板的复杂裂纹构型进行合理简化分类,利用其对应的权函数求解应力强度因子。然后,采用有限元分析计算含裂纹多铆钉搭接板的应力强度因子以验证权函数法的计算精度。最后,将经验证的权函数分析方法结合Paris裂纹扩展公式,对铆钉搭接结构进行疲劳裂纹扩展分析,并通过试验验证分析方法的有效性。结果表明,采用权函数法计算的应力强度因子与完全采用有限元方法计算的应力强度因子的相对差别小于5%,分析预测的裂纹扩展寿命与试验结果吻合良好,且计算效率比完全采用有限元法快3个数量级,进而为铆钉连接结构孔边裂纹的应力强度因子和疲劳裂纹扩展分析提供了一个有效方法。     

桥式类型起重机箱形梁变幅疲劳试验研究

本文对桥式类型起重机箱形梁在变幅载荷作用下疲劳裂纹扩展规律及其寿命进行了实验研究，建立疲劳裂纹扩展规律及其寿命进行了实验研究，建立了疲劳裂纹扩展的Ｐａｒｉｓ公式。由得到的裂纹扩展公式估算了箱形梁的疲劳寿命和疲劳强度，并与试验结果作了比较。     

基于XFEM的疲劳裂纹扩展路径和寿命预测

根据线弹性断裂力学理论,推导出了Abaqus中材料参数c_3,c_4与Paris参数C,m的之间的换算关系式,并基于Abaqus软件的扩展有限元XFEM分析,分别对含中心穿透斜裂纹平板和带初始裂纹的加筋翼梁典型结构在等幅疲劳载荷下的裂纹扩展路径和裂纹扩展寿命进行了预测和试验验证。算例结果表明预测的裂纹扩展路径与试验结果吻合良好,裂纹扩展寿命误差在6.3%以内。表明该方法可以精确地预测等幅载荷下二维和三维复杂结构的疲劳裂纹扩展路径和寿命,可为结构的损伤容限分析提供有效途径,具有一定的工程应用价值。     

基于ASME规范的超高压容器表面裂纹扩展剩余寿命计算分析方法

裂纹缺陷是压力容器中最常见也最危险的一种缺陷,通过断裂力学计算疲劳裂纹扩展寿命可以更好预测容器的使用寿命.文章通过API标准计算得出FAD图中的失效路径以及允许最终裂纹深度,之后运用ASMEⅧ-3中的断裂力学计算方法,采用线弹性断裂力学计算超高压容器表面裂纹疲劳裂纹扩展寿命,对计算结果进行分析并给予意见.     

相对小裂纹da／dN公式参数的试验测定法

本文研究了耐久性分析的确定性裂纹增长方法（DCGA）中相对小裂纹的da／dN公式参数的试验测定方法,为耐久性分析的“发展的确定性裂纹增长方法（EDCGA）[1]”提供了计算依据,从而使应用这一改进后的EDCGA进行损伤度评估和经济寿命预测能够得以实现。     

基于Tanaka-Mura模型的正交异性钢桥面板微裂纹萌生扩展寿命的研究

采用三维Voronoi图在正交各向异性钢桥面板盖板-U肋焊接节点细晶粒热影响区建立晶体代表体积单元模型(RVE),考虑晶粒随机取向,生成晶体多滑移带模型。根据Tanaka-Mura位错滑移模型,用Python编写了疲劳裂纹萌生扩展脚本,计算微裂纹萌生扩展寿命。以安庆长江公路大桥为研究对象,计算其正交各向异性钢桥面板盖板-U肋焊接节点疲劳微裂纹萌生扩展寿命。结果表明该方法可有效分析正交异性钢桥面板微裂纹萌生扩展寿命。     

SN-Paris全寿命综合模型

基于SN材料疲劳寿命曲线和Paris裂纹扩展公式,发展了一种进行结构全寿命分析的模型,称为SN-Paris全寿命综合模型。SN-Paris全寿命综合模型是在经典损伤容限Paris公式的基础上,引入裂纹长度影响因子aS,结合SN试验曲线,得到一个可以进行结构全寿命分析的裂纹扩展寿命分析模型。裂纹长度影响因子分析中考虑了结构构型因子β的影响,因而该综合模型可以进行一般结构的全寿命分析。该模型分析结果在裂纹长度趋近于零时与结构疲劳寿命SN曲线吻合很好,在长裂纹时与结构裂纹扩展寿命Paris结果完全一致,模型合理,且具有很好的工程使用精度。模型所用参数都是现有的材料试验常数,没有引入新的材料常数,工程的应用简便。