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.     

抽筒子疲劳裂纹扩展研究及剩余寿命预测

针对炮闩机构的抽筒子爪部出现疲劳断裂的问题,研究抽筒子的疲劳裂纹扩展及剩余寿命预测。针对抽筒子材料45CrNiMoVA,开展室温下断裂韧度和疲劳裂纹扩展试验,测试材料的断裂韧度,结合实验数据拟合得到Paris断裂公式。通过对抽筒子裂纹扩展因素的研究得到:应力由300 MPa减小至200 MPa时,剩余寿命增幅最大,增大约3.2倍;初始裂纹长度从0.5 mm增大到1 mm时;剩余寿命减小幅度最大,减小约1.8倍;当材料的断裂韧度越大,剩余寿命越大,且增长的趋势越来越缓慢。     

基于裂纹形成及扩展的火炮闩体寿命研究

某自动武器定型试验实弹射击累计523 发时,静检发现闩体出现约1 mm 深裂纹,为了 判定损伤闩体剩余寿命是否满足使用要求,应用解析与数值模拟方法,对闩体裂纹形成阶段的寿命 和扩展阶段的寿命进行了分析计算。结果表明,在常温正装药条件下,考虑闩体实际加工表面粗糙 度对疲劳寿命的影响,计算总体寿命不小于1 650 发,可满足闩体的设计要求。同时,对闩体疲劳 裂纹形成的影响因素进行了分析,根据分析计算结果,采取了减小闩体局部表面粗糙度措施,使该 火炮闩体寿命提高到1 800 发以上。     

用SQCE理论计算疲劳裂纹扩展速率及剩余寿命

对用奇异准谐调元理论进行疲劳裂纹扩展速率和剩余寿命的数值计算做了初步探讨，计算结果与实验结果完全吻合。因此，用ＳＱＣＥ理论计算实际结构的疲劳裂纹扩展速率和剩余寿命，可以达到节省时间，材料和经费的目的。     

自行火炮综合传动装置非线性动力学仿真与疲劳可靠性寿命预测

为准确地获取综合传动装置关重件的载荷谱,对自行火炮的综合传动装置非线性动力学仿真与疲劳可靠性寿命进行预测研究.建立非线性多级齿轮传动系统的虚拟样机,对其工作过程进行仿真,将同工况条件下综合传动装置虚拟样机仿真结果与综合传动实验台实验结果进行对比,验证基于虚拟样机获取载荷谱的可信性,对载荷谱进行插值运算得到齿轮危险点的应力-时间历程,采用三峰谷雨流计数法生成2维分布的随机疲劳应力谱,充分考虑材料的疲劳性能,预测关重件在多存活率下的疲劳可靠性寿命.研究结果表明:该方法能准确地描述齿轮-转轴-轴承非线性系统的动力学特性,预测关重件在多存活率下的疲劳寿命,为实现预防性维修和精确化保障提供决策依据.     

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。     

疲劳裂纹形核寿命的细观概率模型

裂纹形核是结构疲劳损伤演化的初级阶段。基于Tanaka-Mura微裂纹形核机制,提出恒幅交变载荷下结构表面疲劳裂纹形核寿命的细观概率模型。设细观尺度的晶粒尺寸、晶粒取向欧拉角为随机变量,借助Schmidt因子建立细观主应力与分解切应力之间的关系。考虑到晶粒取向随机性和紧邻晶粒影响因素,导出分解切应力变程的概率分布。进一步运用矩法和次序统计量模型获得任一晶粒中疲劳裂纹形核寿命和结构热区晶粒群多裂纹分散形核寿命的概率分布。数值算例验证了所提模型与方法的可行性和合理性。新模型在裂纹形核寿命研究中引入了细观物理参数和几何参数的概率统计信息,可为多晶体金属结构件的疲劳可靠性评估和抗疲劳概率设计开辟精细化分析的新途径。     

疲劳寿命预测概况

本文对疲劳寿命预测的基本方法及研究动态作了简要综述。说明了针对不同的工程结构或零部件需要选取不同寿命预测方法的重要性。     

铝锂合金疲劳裂纹萌生寿命和短裂纹扩展抗力

综述了近期国内外铝锂合金疲劳裂纹萌生和短裂纹扩展行为的研究进展,包括铝锂合金的热处理、微观结构、微观形变行为等与疲劳裂纹萌生寿命、短裂纹扩展抗力的内在联系,较详细论述了裂尖屏蔽理论。作者还用自己有关铝锂合金疲劳短裂纹扩展方向效应和非扩展倾向的研究结果,对该类合金疲劳裂纹萌生寿命、短裂纹扩展抗力与疲劳寿命不对应作出了理论解释。     

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。     

蠕变-热疲劳裂纹的控制参量研究

考虑材料的双线性随动强化和蠕变特性,用有限、元方法分析了蠕变一热疲劳裂纹的张开过程。裂纹在加热和保温过程中受压应力作用,处于闭合状态。由于加热和保温过程产生的非弹性应变不能自由恢复,降温过程的后期产生垂直裂纹面的拉应力,使裂纹逐渐张开。此时裂纹附近材料的温度已经下降到蠕变温度以下,并且裂纹的张开过程是热应力的卸载过程,因此C“参数和,积分不适用于蠕变一热疲劳裂纹。在小范围屈服条件下,可用应力强度因子作为蠕变一热疲劳裂纹的控制参量。计算表明,延长保温时间,升高加热的景高温度,增加裂纹长度都能够使应力强度因子增大。     

冲击载荷作用下抽筒子疲劳寿命预测与试验验证

在火炮发射过程中,抽筒子在冲击载荷作用下,经常产生疲劳断裂。为了实现有针对性的预防性维修,提出了一种冲击载荷作用下基于协同仿真技术的不规则零部件疲劳寿命预测方法。基于Pro/E和ADAMS建立了火炮射击过程的虚拟样机,并从定性和定量两个方面进行验证,仿真得到抽筒过程中抽筒子的载荷谱。结合有限元分析,计算抽筒子在静应力下的强度和寿命。在仿真载荷谱和有限元静应力分析的基础上,结合材料的S-N曲线,建立了抽筒子疲劳损伤与寿命预测模型,得到其危险部位的最小寿命。为了验证疲劳寿命预测模型的有效性,设计了由撞击试验台、传感器和信号测试分析系统组成的抽筒子疲劳寿命验证试验装置,根据抽筒过程和仿真载荷谱,合理确定撞击高度。试验结果验证了所建立的疲劳寿命预测模型的可信性。     

基于协同仿真的传动箱齿轮疲劳寿命预测方法

复杂部件的疲劳寿命预测一直是结构抗疲劳设计和装备维修保障的研究重点。将计算机辅助工程(CAE)技术引入到武器装备领域中,对协同仿真技术在武器装备领域中的应用作了深入探讨,构建了传动箱被动齿轮寿命预测的协同仿真平台,通过4种商务软件的集成,对传动箱齿轮的疲劳寿命进行了预测。     

变幅中载条件下的疲劳寿命预测

在疲劳累积损伤分析的基础上得出了对数累积损伤模型，阐明了变幅加载条件下疲损伤的累积特征和寿命预测方法，对数累积损伤模型作为一个失效判据，已在某中口径自动舰炮输弹簧疲劳寿命预测中得到较满意的应用。研究表明，应国水平改变时，损伤因子Ｄ发生不连续变化导加载顺序效应的重要原因。     

车轮动态径向疲劳寿命预测

为解决汽车车轮安全使用性能和寿命要求的问题,对车轮动态径向疲劳寿命进行预测。建立车轮在径向 疲劳试验工况下的有限元模型,通过施加呈余弦函数分布的径向载荷,结合车轮的动态特性,运用nCode DesignLife 软件对其进行疲劳分析,预测车轮在径向疲劳实验时的疲劳寿命。研究结果表明：车轮的轮辐中部、内轮缘、轮辋 内胎圈座处和轮辋内侧是疲劳损伤的主要部位,可为车轮结构的进一步优化提供依据。     

空降自行火炮着陆过程平衡肘等效疲劳寿命分析

某空降型自行火炮着陆过程有车体姿态倾斜履带轮率先着地情况的发生,为了确定这样一次着陆冲击过程对履带系统关键部件平衡肘的损伤影响程度,建立了整炮的虚拟样机模型,通过对整炮虚拟样机模型进行空投着陆仿真以及同等路面行驶仿真,分别得到平衡肘上的动载荷谱。建立了平衡肘的有限元模型,对于着陆冲击时载荷较大的工况,采用应变疲劳分析方法ε－N进行疲劳寿命分析,对于行驶时载荷较小的工况,采用应力疲劳分析方法 S－N进行疲劳寿命分析,通过对两种工况下平衡肘的疲劳寿命对比,计算得到这样一次着陆冲击对平衡肘的损伤影响相当于火炮在同等路面上行驶了936 km。计算结果可为火炮的可靠性评估提供依据。     

自行火炮行动系统关重件的疲劳寿命仿真

建立了某型自行火炮虚拟样机模型,仿真并获得了各典型行驶工况下行动系统关重件的载荷时间历程。以扭力轴为研究对象,对各单一工况下的二维随机扭矩载荷进行计数统计和分布检验,采用权系数法、概率密度推断法和最速下降法对载荷进行多工况的合成和扩展,获得了其全寿命里程二维设计谱。并通过有限元分析和名义应力法,运用MM( modified miner)法则和EM( elemental miner)法则对扭力轴进行材料疲劳特性修正和安全寿命预测,结果表明：MM法则更为合理一些,并认为扭力轴不萌生宏观裂纹的疲劳寿命为12 814 km．