基于表面裂纹萌生与扩展的疲劳寿命预测模型

为了预测表面裂纹萌生与扩展的疲劳寿命,分别对渗碳CrMn钢的光滑试样与渗氮CrNi钢的光滑、缺口试样开展超高周疲劳试验,观察试样的疲劳缺口,分析试样的S-N曲线及疲劳损伤机理。考虑应力比、疲劳缺口系数与残余应力3种因素,构建更准确的裂纹萌生寿命预测模型,并对表面失效的裂纹萌生寿命进行预测。用Israel提出的裂纹扩展寿命预测模型计算裂纹扩展寿命,再将预测的裂纹萌生与扩展寿命相结合得到总疲劳寿命。结果表明：裂纹萌生寿命预测模型的预测结果与试验结果基本一致,构建的新模型较可靠。计算的总疲劳寿命与试验疲劳寿命相比,绝大部分都小于3倍误差,寿命预测较精准。     

基于裂纹萌生和扩展的渗氮钢疲劳寿命预测

以渗氮CrNiW钢的光滑试样和两种缺口试样为研究对象,开展超高周疲劳试验.观察渗氮CrNiW钢的疲劳断口显微组织,分析S-N曲线特性及失效机理,基于裂纹萌生模型和裂纹扩展模型计算渗氮CrNiW钢的萌生和扩展寿命,结合裂纹萌生和扩展寿命计算总疲劳寿命.结果表明:随应力集中系数增加,ΔKFGA小幅降低,ΔKfish-eye减小明显;应力幅值较低时,裂纹萌生寿命占总疲劳寿命的比例很高,裂纹扩展寿命占比很低,基本可忽略;模型预测的总疲劳寿命与试验结果较接近,除个别数据点外,预测结果均在2倍偏差内,预测较准确.     

弯曲疲劳载荷下曲轴剩余强度的简化试验模型

剩余强度模型在描述试件的动态疲劳行为方面是一种比较切合实际的方法。但对于曲轴这一类结构较复杂的构件,进行常规的剩余强度试验往往比较困难,为此提出了一种基于简化模型的动态信息跟踪方法的剩余强度试验研究方法。该模型建立在对谐振式弯曲疲劳试验台的振动分析和试件疲劳裂纹扩展的断裂力学分析之上。为探讨这种模型的可行性,根据韧性材料曲轴疲劳裂纹发展的特点,建立了简化量化关系并给出了量化分析的实例。     

用最大正应力法则确定层状复合材料中疲劳裂纹的扩展方向

针对层状复合材料中疲劳裂纹扩展的复杂路径,用最大正应力法则探讨了疲劳裂纹的扩展方向问题;并利用有效解决高梯度问题的数值方法--任意线法对实测试件进行了数值分析;所预测的裂纹扩展方向再与铝片构成的层状复合材料进行疲劳断裂实验的结果相对比,二者完全一致.这种一致性不仅初步证明了这一方法的正确性和适用性,并为疲劳裂纹扩展全过程的解决提供了必要的基础.     

基于显微DIC的谐振疲劳短裂纹尖端变形场演化规律

为研究疲劳短裂纹扩展机理，提出一种基于显微数字图像相关(DIC)的塑性金属材料谐振疲劳短裂纹尖端位移场、应变场和塑性区的测量方法，并对其演化规律进行研究。通过显微摄像系统采集疲劳裂纹扩展过程中谐振载荷最大点试件短裂纹图像；采用DIC方法获得裂纹尖端区域位移场和应变场的数据。通过虚拟引伸计技术结合位移场演化数据获得短裂纹扩展过程中裂纹尖端坐标，进而根据von Mises屈服准则和应变场数据确定裂纹尖端塑性区尺寸及演化规律并与Irwin模型的理论尺寸进行对比验证；采用电子背散射衍射(EBSD)技术测量典型塑性金属材料316不锈钢疲劳裂纹尖端的晶粒尺寸分布，进一步研究谐振载荷作用下疲劳短裂纹尖端区域沿晶粒尺度的位移和应变的演化规律。研究结果表明：提出的方法成功获取了短裂纹微米级变形场演化数据，为塑性金属材料疲劳短裂纹扩展特性的进一步研究和疲劳寿命预测提供了实验和理论支持。     

外物损伤对叶片振动疲劳裂纹扩展性能的影响

为研究外物损伤(FOD)对航空发动机叶片的疲劳裂纹扩展影响,基于落锤冲击试验系统,在不同冲击能量下进行TC4钛合金试件的FOD模拟试验及振动疲劳试验,获得损伤试件的裂纹长度与疲劳寿命的关系,并拟合疲劳断口裂纹形貌参数,建立疲劳裂纹扩展寿命预测计算模型。研究结果表明：损伤缺口的深度和宽度随冲击能量的减小而非线性的减小。当冲击能量较大时,试件的疲劳裂纹先沿弯曲微裂纹扩展,后沿直线扩展;当冲击能量较小时,试件疲劳裂纹保持直线扩展。裂纹的萌生寿命与冲击能量、应力水平二者相关。     

半椭圆表面裂纹在疲劳扩展中的形状变化

<正> 一、引 言 表面裂纹或缺陷是引起实际构件失效的最主要原因之一。从一个小的表面缺陷开始的疲劳裂纹的扩展具有重要的实际意义。通常假定表面裂纹具有半椭圆形,在疲劳扩展过程中,半椭圆表面裂纹的形状(椭圆度)将要发生变化。这种形状变化对于疲劳寿命     

中锰铸钢疲劳裂纹扩展行为研究

采用疲劳裂纹扩展速率试验方法中的紧凑拉伸试验 (CT试验 ) ,得到了中锰铸钢疲劳裂纹扩展速率的数学表达式 ;用 SEM和微区相结构测试技术分析了中锰铸钢在疲劳裂纹扩展过程中的行为特点。研究表明 ,中锰奥氏体铸钢在疲劳裂纹扩展过程中 ,裂纹尖端将由应变诱发奥氏体向马氏体转变并伴有相变塑性产生 ,从而延缓了裂纹的扩展速率     

夹层结构自冲铆接头疲劳性能的研究

以不同泡沫金属为夹层进行自冲铆接头疲劳试验,采用二参数威布尔分布检验疲劳数据,并拟合各组试样的S-N曲线。用扫描电子显微镜观测不同疲劳区接头的典型疲劳断口,分析裂纹萌生形式,研究接头在不同应力下的失效机理。结果表明:以泡沫镍为夹层的接头疲劳寿命明显优于泡沫铁镍为夹层的接头;泡沫镍在微动过程中迁移流动能力较强,在磨屑床中起第三体润滑承载作用;接头的疲劳裂纹萌生于接头的铆接点下板或铆孔中心的下板一侧区域;铝合金疲劳源区晶粒滑移呈不均匀性,疲劳裂纹萌生于金属夹杂物、第二相处;接头的裂纹扩展区可观察到大量密集分布的疲劳条带,并伴有较深的二次裂纹;在瞬断区,铝合金自冲铆接头呈韧窝形貌。     

基于边缘检测和数字图像相关法的疲劳裂纹长度测量方法

针对先进高强钢板存在的显著裂纹闭合现象导致裂纹闭合段难以检测问题,提出一种基于边缘检测和数字图像相关（DIC）技术相结合的疲劳裂纹长度高精度动态测量方法。使用两个相机分别拍摄疲劳裂纹扩展试验过程中裂纹试件两面的裂纹和散斑图像,并对图像进行处理来测量裂纹长度,可检测到传统灰度边缘检测无法检测到的裂纹闭合段,从而提高测量精度。通过灰度边缘检测在裂纹图像中得到裂纹扩展路径,并对裂纹尖端进行初定位,结合模板匹配将裂纹路径坐标映射到散斑图像中,并在裂纹初尖端延伸段布置虚拟引伸计,利用DIC技术求得虚拟引伸计张开量。拟合引伸计张量-位置曲线,分析曲线特征得到疲劳裂纹尖端亚像素精度横坐标,进而精确计算出裂纹长度。将边缘检测法、该方法、测量显微镜测量得到的结果进行对比,结果表明,该方法在测量精度上有显著优势,可有效检测出裂纹闭合段,测量精度可达8 μm。     

SUS301L不锈钢激光焊接头疲劳损伤行为研究

研究SUSS301L不锈钢激光焊搭接接头的疲劳性能,并获得相应的S-N曲线及条件疲劳极限,通过宏观断裂形貌和疲劳断口分析,探讨SUSS301L不锈钢激光焊搭接接头的疲劳断裂模式与损伤行为。结果表明:SUSS301L不锈钢激光焊搭接接头失效概率为1.0%和0.1%的疲劳极限最大力分别为2.22、2.08 kN;通过有限元模拟分析得出,板材加载端的焊缝连接处是应力集中强烈部位,疲劳裂纹从该区域萌生并扩展;根据加载疲劳应力的大小,焊接接头在最终的断裂模式出现低应力疲劳断裂与高应力疲劳断裂两种模式,低应力疲劳断裂典型特征为"穿板断裂",而高应力疲劳断裂表现为"穿板+穿缝"特征。     

基于XFEM的高强桥索钢丝冷拔裂纹扩展数值模拟

基于有限元软件Abaqus,采用扩展有限元法(XFEM)分析高强桥索钢丝冷拔过程的裂纹扩展,研究裂纹位置、裂纹角度、裂纹长度对裂纹扩展路径和裂缝宽度的影响.结果表明:冷拔过程裂纹基本符合I型扩展规律,裂纹位置、裂纹角度、裂纹长度对裂纹扩展路径无显著影响;裂纹位置越靠近中心、裂纹角度数值越小、裂纹长度越长时,裂缝宽度越大;裂纹位置越接近表面、裂纹角度数值越大、裂纹越长时,裂纹闭合越晚.此外,通过预应力冷拔机进行钢丝表面不同角度预制裂纹扩展试验,分析裂纹扩展规律并通过α-γ、α-δ曲线验证了数值模型的可靠性.     

机械零件损伤和断裂的分析计算与失效过程的计算机模拟

应用断裂力学的最大正应力准测，应变能释放率准则和有限元技术找出受力零件的危险点，以及零件在交变载荷作用下该点的裂纹扩展方向，在计算机上模拟出零件的损伤部位和裂纹的动态扩展过程。已计算和显示的实例有受拉伸的中心斜裂纹平板和受拉伸的边裂纹平板。还对常用的齿轮轮齿根部受弯后的疲劳裂纹、燃气涡轮盘榫齿裂纹的产生和扩展过程进行了模拟，结果与实际损坏状态基本相符。这一失效过程的计算机模拟，对机器零件的排故和改     

身管内壁裂纹扩展特性及剩余寿命研究

火炮发射过程中身管内膛环境十分恶劣,经过一定射击发数后内膛往往出现不同程度裂纹,影响身管寿命及发射安全性。采用有限元软件建立了包含膛线及不同位置初始裂纹的身管有限元模型,基于线弹性断裂力学理论研究了膛压、弹带摩擦力、自紧残余应力等载荷作用下身管内壁不同位置初始裂纹的扩展特性,得到了影响身管疲劳裂纹扩展寿命的危险因素为身管内壁阴线纵向裂纹,基于疲劳裂纹扩展理论,以临界断裂韧度为失效判据,获得了无镀层身管在包含不同数量初始裂纹时的剩余寿命。研究对于火炮身管的发射安全性评估、寿命预测及寿命提升研究具有重要的参考价值。     

电磁谐振式疲劳裂纹扩展试验固有频率跟踪系统

为保证电磁谐振式疲劳裂纹扩展实验工作载荷的稳定性,提出了基于裂纹长度在线测量的自适应改进爬山法固有频率跟踪方法,建立了相应的固有频率跟踪系统。采用自行设计的裂纹长度测量系统测得实验过程中不同时刻的裂纹长度,根据固有频率和裂纹长度的理论关系计算出此时系统的固有频率值,并将此值设定为频率跟踪的初始值,在初始值左右小范围区域内采用自适应改进爬山法搜索系统精确固有频率值。建立了双自由度双质量块电磁谐振式疲劳裂纹扩展实验振动系统数学模型和CT 紧凑拉伸试件刚度模型,从理论上推导出了固有频率随裂纹尺寸变化的规律,并通过实验进行了验证。实验结果表明:文中方法固有频率跟踪精度为0郾3 Hz,跟踪时间为3郾5 s,和一般爬山法相比,跟踪精度高、速度快、过程稳定可靠,很好地满足了疲劳裂纹扩展实验的要求。     

冷作模具钢DC53断裂性能研究

针对冷作模具钢DC53的断裂失效情况,开展断裂韧度及疲劳裂纹扩展试验,获得材料断裂性能参数。基于线弹性断裂力学理论,运用三维断裂分析软件FRANC3D模拟计算含有穿透型裂纹的标准紧凑拉伸CT试样的裂纹前缘应力强度因子,由Paris公式计算裂纹扩展寿命,并将理论计算、数值模拟和断裂力学试验进行对比研究。结果表明:数值模拟、理论计算以及试验得到的裂纹扩展寿命在16.7%的合理误差范围内。     

过载对7010-T736铝合金疲劳裂纹扩展延缓效应的研究

<正> 一、前言 相对于恒幅疲劳构件,变幅疲劳构件寿命的预测要复杂得多,因为除了加载变量(应力幅大小、频率、介质、环境等)的影响以外,各载荷间的相互作用可能极大地影响疲劳裂纹的扩展。例如,拉-压疲劳中,拉伸过载延缓疲劳裂纹的扩展甚至使裂纹暂时休止,而压缩载荷使裂纹扩展速率加快。很明显对这类构件寿命预测成功与否,很大程度上取决于对各变载之间相互作用研究的深刻程度。近十几年来,变幅疲劳     

HTPB推进剂/衬层粘接试件变形破坏过程试验与数值模拟

为得到粘接界面的力学行为和破坏模式,对HTPB推进剂/衬层粘接试件进行了单向拉伸宏观观察试验,获得不同拉伸阶段的变形图片,记录了界面破坏的全过程;使用界面元模型表征推进剂/衬层界面,数值模拟了粘接界面试件在单向拉伸作用下的脱粘过程。结果表明：界面拉伸变形破坏过程表现为裂纹的起裂、扩展和失效;粘接试件的拉伸应力-应变曲线表现出明显的非线性特征;数值计算结果与试验得到的应力-应变曲线及试件宏观变形失效形态一致。为得到粘接界面的力学行为和破坏模式,对HTPB推进剂/衬层粘接试件进行了单向拉伸宏观观察试验,获得不同拉伸阶段的变形图片,记录了界面破坏的全过程;使用界面元模型表征推进剂/衬层界面,数值模拟了粘接界面试件在单向拉伸作用下的脱粘过程。结果表明：界面拉伸变形破坏过程表现为裂纹的起裂、扩展和失效;粘接试件的拉伸应力-应变曲线表现出明显的非线性特征;数值计算结果与试验得到的应力-应变曲线及试件宏观变形失效形态一致。     

陶瓷材料小裂纹研究进展

本文对陶瓷材料的断裂研究进行了述评,内容涉及断裂研究的阶段划分,小裂纹研究在断裂研究中所占地位,小裂纹的断裂规律及其研究现状,文末总结了陶瓷材料小裂纹研究的现有成果及未来研究趋势展望。现有试验结果表明,陶瓷材料在短时断裂、静态疲劳及动态疲劳中普遍存在小裂纹效应,而循环疲劳小裂纹尚未开始研究。陶瓷材料微裂纹交互作用与长大可能是陶瓷材料早期损伤的主要机制。要对陶瓷材料进行结构可靠性分析、寿命预测、损伤容限设计及工艺改性,研究微裂纹、小裂纹长大演变规律是关键环节。     

疲劳裂纹扩展速率和门槛应力强度因子计算公式的探讨

<正> 一、引言 近30年来,对材料的疲劳行为进行了大量的研究,结果表明,疲劳破坏实质上是由于疲劳裂纹扩展引起的。Hahn等及其它研究者研究了疲劳裂纹尖端塑性区,结果都认为,无论是低循环应变疲劳还是高循环应力疲劳,裂纹扩展都是塑性变形的结果。基于疲劳断口的分析研究也得出同样的结论。因此,根据裂纹尖端的塑性变形来建