基于临界平面法的混凝土疲劳寿命预测研究

利用疲劳分析的临界平面方法和有限元分析手段,以塑性应变能密度为损伤参量,计算混凝土疲劳试件在疲劳载荷作用下的累积损伤,得到损伤累积规律,结合实验结果建立疲劳损伤累积方程,并得到临界最大累积损伤及其产生的位置.考虑载荷水平的影响,得到规范化的临界塑性应变能密度和应力水平的关系方程.结合疲劳损伤累积方程和损伤与应力水平关系方程,对试件疲劳寿命进行预测,预测结果与实验结果吻合很好.     

高频谐振载荷作用下疲劳裂纹尖端变形场分析

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CT紧凑拉伸试件裂纹尖端位移、应变场的变化规律,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、应变场并分析了其变化规律.为验证有限元计算结果的准确性,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CT试件疲劳裂纹扩展到5mm时在一个应力循环内裂纹尖端点的应变.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型疲劳裂纹尖端区域位移、应变均为和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、应变幅不断增大;裂纹尖端测量点应变有限元计算结果和实验结果最大误差为2.93%.     

基于局部应力应变场强法的薄壁缺口结构随机声疲劳寿命估算

航空发动机火焰筒结构在随机声激励下的寿命估算属于典型的多轴疲劳问题。对航空薄壁结构随机声疲劳寿命估算的峰值概率密度法和功率谱密度法进行了探讨。在应力场强法的基础上,深入研究了一种用于薄壁缺口结构随机疲劳寿命估算的有效方法——局部应力应变场强法,该方法能同时考虑缺口局部应力梯度和应变梯度对疲劳损伤的影响。以薄壁缺口结构作为研究对象,结合声疲劳问题分析的一般方法,对局部应力应变场强法在声疲劳寿命估算中的运用进行了研究。     

高强度钢随机载荷下裂纹扩展模型

工程结构在全寿命周期内大多都承受随机载荷作用，随机载荷中载荷顺序对裂纹扩展有显著影响．用基于裂纹闭合现象的裂纹扩展模型依次模拟恒幅载荷、过载峰及随机载荷作用下的疲劳裂纹扩展．通过裂纹张开应力反映裂纹闭合效应，将Paris公式计算疲劳裂纹扩展，将有效应力强度因子范围代入Paris公式中计算，并用高强度钢程序块载荷下疲劳实验结果与计算结果比较．结果证明，基于裂纹闭合现象的裂纹扩展模型能很好地模拟随机载荷下的疲劳裂纹扩展，理论计算结果与试验结果相吻合，具有工程实用价值．     

16MnR轴对称三维应力状态下高温低周疲劳寿命评价

通过对 1 6MnR带缺口的圆柱试样的轴对称三维应力状态下高温低周疲劳试验 ,并应用NHRDS有限元程序进行了缺口附近轴对称问题的循环应力、应变分析计算 ,得出了各试样危险点的应力、应变分量值和当量应力、当量应变值。基于当量概念这一基本准则 ,分析材料疲劳过程的能量损耗 ,利用当量塑性应变能密度评价了该材料轴对称三维应力状态下不同应变速率下的疲劳寿命 ,并在此基础上分析了应变速率对疲劳寿命的影响。试验结果表明 ,该材料轴对称三维应力状态下高温低周疲劳寿命用当量塑性应变能密度来表征是可行的 ,应变速率对疲劳寿命的影响可以通过将疲劳寿命评价公式中的材料常数用应变速率的函数来表示的方法得以定量的体现。     

基于有限元的波纹钢腹板组合箱梁疲劳损伤分析

针对波纹钢腹板组合箱梁（以下简称箱梁）的抗弯性能进行有限元分析,分析箱梁的静力位移、应力和应变结果,建立箱梁破坏损伤机理并得到应力薄弱点。同时,根据有限元分析结果,进行箱梁局部应力应变分析,得到箱梁不同水平下的疲劳寿命。最后,结合疲劳损伤和疲劳断裂理论进行箱梁的疲劳裂纹扩展行为及破坏过程和寿命预测研究,分析了正弦波疲劳荷载作用下箱梁中的钢腹板、PBL剪力连接件以及钢板翼缘等部件的疲劳裂纹萌生及寿命预测结果与试验结果吻合较好。研究表明：根据美国规范AASHTO2004中C类标准进行工程设计和疲劳寿命估算与试验符合较好,同时采用Palmgren-Miner线性累积损伤疲劳准则能有效地计算变幅疲劳载荷下箱梁的疲劳损伤及断裂破坏过程,为实际工程中箱梁疲劳性能设计提供参考。     

一种新的随机疲劳寿命预测方法

根据疲劳损伤具有局部性的特点,在应力场强法的基础上,提出了缺口疲劳损伤局部应力应变场理论;该理论可同时考虑缺口根部局部应力应变梯度对疲劳损伤的影响．通过对缺口件进行随机交变加载下的弹塑性有限元分析,提出一种随机加载疲劳寿命预测的局部应力应变场强法;由该法来预测缺口件疲劳裂纹形成寿命,其精度要好于传统的局部应力应变法．     

残余应力及其表征参数对材料滚动接触性能的影响

为了深入研究残余应力对滚动接触的影响规律,建立了圆柱滚子轴承二维有限元简化模型,在施加不同残余应力的基础上进行弹塑性分析,并对残余应力的表征参数如梯度、大小和深度等进行了影响研究。结果表明：残余压应力能使弹性变形阶段的接触应力和塑性变形阶段的塑性应变下降;等大的残余拉应力则使二者增大更大的比率。通过参数研究发现：残余压应力梯度越小,塑性应变越小,残余拉应力梯度越接近0,塑性应变越小;残余压应力越大,塑性应变越小,残余拉应力越大,塑性应变越大;残余压应力加深一定值能够降低滚动接触塑性应变,从而提高疲劳寿命,残余拉应力的加深则会引起塑性应变和疲劳损伤的增大。     

缺口件局部应力-应变关系影响因素的研究

为了分析缺口件局部应力-应变关系的影响因素,利用有限元方法对多轴循环载荷下的中心圆孔缺口试件进行了弹塑性有限元分析,讨论了应力幅、平均应力以及多轴性对缺口部位局部应力-应变关系的影响.结果表明:正应力幅和多轴载荷影响迟滞回线的形状,表征着材料的损伤,是疲劳分析中的重要因素;平均应力不影响迟滞回线的面积,对损伤没有影响,它主要影响迟滞回线中心的位置,在疲劳分析中须引入平均应力修正.     

缺口件疲劳损伤累积规律的研究

为解决传统疲劳方法对于缺口件疲劳寿命估算不准确的问题,引入疲劳损伤累积的概念.利用有限元分析方法,计算了中心圆孔试件在4种疲劳载荷作用下缺口处的应力-应变响应.采用坐标变换的方法得到缺口处在4种疲劳载荷作用下任意材料平面上的应力、应变分量.选取6种损伤参量进行研究,计算得到6种损伤参量随截面位置的变化情况,进而可以确定最大疲劳损伤.为了获得6种损伤模型的累积规律,计算在不同循环内的最大累积损伤,进而获得最大疲劳累积损伤与循环次数的关系.结果表明:中心圆孔缺口件在4种疲劳载荷作用下6种损伤模型的累积规律都为线性.以该结论为基础可估算缺口件的疲劳寿命.     

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.     

高温多轴载荷下低周疲劳寿命预测

针对Mod.9Cr-1Mo铁素体钢进行550℃下多轴低周疲劳试验,定义主应变比用以考虑不同的比例程度对多轴疲劳寿命的影响.针对各路径和各幅值下的循环软化特性进行分析,对比结果表明：路径对循环软化特性的影响大于应变幅值对循环软化特性的影响,其软化程度随扭转载荷所占比例增加而增加.采用最大正应变方法、最大剪应变方法和von Mises等效应变法进行疲劳寿命预测,结果表明：最大正应变方法针对扭转路径得到的预测结果偏于安全;最大剪应变方法预测扭转路径较好,但对于单轴路径给出的预测结果过于不安全;等效应变法得到的预测结果偏于保守.     

沥青结合料疲劳失效定义与失效准则

为了更好地理解沥青结合料的疲劳失效特性,以黏弹连续介质损伤力学为分析手段,通过加速疲劳试验和传统时间扫描疲劳试验系统研究了基质沥青和改性沥青在不同加载条件下的疲劳失效行为.研究发现,基于虚应变能理论提出的将最大存储虚应变能指标作为沥青加速疲劳试验中的疲劳失效新定义,与现象学指标相位角峰值有着很好的等效性,并和时间扫描试验中的疲劳失效定义保持了一致,进而依据疲劳失效定义建立了虚应变能释放率和材料疲劳寿命之间的特性关系准则.该特性准则与试验方法和加载条件无关,可作为统一的疲劳失效准则运用于沥青结合料的疲劳性能预测.     

局部应力应变疲劳的能量方法

应用Neuber准则分析弹塑性材料缺口件时局部应力应变估计过高，因此预测初始寿命常给出过于保守的结论.由于当量应变能密度（Equivalent strain energy density, ESED）准则在Neuber准则的塑性变形项上增加了系数，局部应力应变估计结果更为准确.基于能量方法讨论了循环加载下材料的塑性应变能密度，发现ESED准则相比Neuber准则多考虑了塑性应变能密度，这是ESED准则局部应变场估计值远低于Neuber准则的估计值的能量理论基础.疲劳试验的结果验证了以上结论.     

局部应力应变疲劳的能量方法

应用Neuber准则分析弹塑性材料缺口件时局部应力应变估计过高，因此预测初始寿命常给出过于保守的结论．由于当量应变能密度（Equivalent strain energy density,ESED）准则在Neuber准则的塑性变形项上增加了系数，局部应力应变估计结果更为准确．基于能量方法讨论了循环加载下材料的塑性应变能密度，发现ESED准则相比Neuber准则多考虑了塑性应变能密度，这是ESED准则局部应变场估计值远低于Neuber准则的估计值的能量理论基础．疲劳试验的结果验证了以上结论，     

多轴低周疲劳寿命预测方法研究

针对近年来的疲劳研究现状进行了初步分析,详细评述了多轴比例、非比例、常幅、变幅加载下低周疲劳寿命四种估算方法：临界平面法、等效应变法、能量法和临界面应变能密度法．对一些模型的应用范围和预测能力进行了讨论,并对今后的研究工作提出了建议．     

一种改进的当量应变能密度方法

讨论了循环加载下材料的塑性应变能、储能和热能耗散,发现当量应变能密度(equivalent strain energy density,ESED)准则相比Neuber准则多考虑了塑性应变能密度,因此当量应变能密度准则局部应变场估计值会远低于Neuber准则的估计值. 提出改进的当量应变能密度方法,改进方法的估算值比Neuber准则更接近试验值,且寿命估计结果在工程上应用安全. 改进的当量应变能密度准则的估计结果与疲劳失效试验结果符合较好.     

一种与路径相关的多轴低周疲劳寿命预测方法

已有研究指出,与比例加载相比,非比例加载下某些金属材料虽然没有明显的附加强化现象,但疲劳寿命却明显缩短.利用附加强化系数和非比例度因子修正的等效应变法,无法反映此类材料非比例加载下的寿命缩短现象,导致预测寿命通常偏于危险.为更好地预测不存在明显附加强化现象材料的多轴非比例疲劳寿命,引入寿命缩减因子的概念,并结合非比例度因子对ASME等效应变范围进行了修正,提出一种新的多轴低周疲劳寿命预测方法.为了便于应用,明确了寿命缩减因子的确定方法.针对不同加载路径,发展了一种基于最小法向应变范围的非比例度因子计算方法,并给出了多轴加载一般情形下最小法向应变范围的计算步骤.利用304不锈钢12种非比例加载路径下的试验数据验证了所提非比例度因子计算方法的精度,并与已有方法进行了对比分析,发现所提方法可以更好的描述加载路径的非比例程度.利用10种材料(包括7种不存在明显非比例附加强化现象的材料)的试验数据对所建疲劳寿命预测模型进行了验证,结果表明预测结果与试验结果吻合较好.     

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.     

疲劳裂纹起始的超载效应及新的寿命估算模型

本文根据对LY 12-CZ铝合金的疲劳裂纹起始超载效应的实验研究结果,提出了完善的疲劳裂纹起始寿命表达式和新的疲劳裂纹起始寿命估算方法。上述裂纹起始寿命表达式揭示了裂纹起始寿命与切口构件几何、循环加载条件、拉伸性能、裂纹起始门槛值以及超载应力幅之间的关系。考虑了裂纹起始的超载效应,提出的估算变幅载荷下切口构件裂纹起始寿命的新方法,不作任何工程修正,估算的裂纹起始寿命与实验结果符合很好。