基于非线性预测滤波算法的疲劳裂纹扩展预测

针对传统Paris疲劳裂纹扩展模型预测精度低、无法考虑裂纹扩展过程中各种不确定因素影响的问题,提出一种基于非线性预测滤波算法的疲劳裂纹扩展预测方法。使用基于Paris公式的状态空间方程表征裂纹扩展过程,采用基于Lamb波的监测技术构建观测空间方程,利用实时观测信息修正模型预测值。最后通过Q235钢试件的单边疲劳裂纹扩展实验验证了该预测方法的有效性。实验结果表明,非线性预测滤波算法在疲劳裂纹扩展预测中可以有效地修正Paris公式的预测误差,其预测精度高于扩展卡尔曼滤波和粒子滤波算法的预测精度,同时算法效率较粒子滤波算法有明显提高。     

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% 。     

等误差直线逼近齿轮过渡曲线的计算方法

为了能用线切割机床精确的加工出齿轮的过渡曲线,在对齿条形刀具加工得出的齿轮轮廓形成过程研究的基础上,提出了利用齿轮的过渡曲线与延伸渐开线互为等距线且具有相同转角的几何关系,通过把过渡曲线的逼近误差转换成延伸渐开线的逼近误差来求过渡曲线的转角值,经过相关计算,可以求出过渡曲线的节点坐标。通过对逼近精度分析,证明了节点满足逼近误差的要求。     

FDM成形件精度预测模型的建立

熔融沉积成形(FDM)是快速成型(RP)最有发展前途的工艺之一,掌握提高成形件精度的控制方法是推广其应用的重要途径。在分析FDM成形件精度影响因素的基础上,提出应用误差反向传播(BP)神经网络建立预测精度模型的方法。将主要影响因素作为BP神经网络模型的输入参数,并根据最小预测误差选择输入层和中间层的维数,确定了BP模型结构。利用多组实验数据进行模型训练,建立了BP神经网络模型。模型预测与实验测量的对比结果表明,模型的预测误差在6%以内,具有很高的预测精度,可以指导实际应用。     

快速成型台阶误差分析及其降低措施

以FDM成型工艺程序为线索,分析可能影响FDM成型精度因素.研究了FDM快速成型原理导致的原理性误差,FDM快速成型是层堆积成型,成型件是层层堆积粘接而成,这就必然会形成台阶误差而影响成型件的表面精度.在分析台阶误差产生原因的基础上,找出影响台阶误差的因素及其变化规律,在此基础上提出减小台阶误差的措施.针对快速成型时采用逐层叠加制造的基本思想,对成型时的台阶效应引起的正偏差进行了分析计算,绘出了影响该误差的因素及其误差曲线图,供有关设计和制造技术人员参考.     

一种预测随机谱下裂纹扩展曲线的新方法

提出了一种基于贝叶斯理论在随机谱下采用Walker公式预测裂纹扩展曲线的新方法。首先,将Walker公式中裂纹扩展参数C、n视为随机变量,利用随机谱下的试验数据,基于贝叶斯理论建立其联合后验分布表达式;其次,巧妙地将随机谱下的裂纹扩展分析嵌入马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)方法中,实现对C、n后验分布的抽样;最后,将C、n后验分布均值代入Walker公式中,预测给定初始长度的裂纹在随机谱下的扩展曲线(a-N曲线)。利用7050-T7651和7050-T7452两种材料在随机谱下的裂纹扩展数据验证,发现仅需使用较少的试验数据,基于C、n后验均值预测的a-N曲线与试验a-N曲线就能良好吻合。研究结果对实现结构健康监控(SHM)中对结构未来损伤的准确预测,具有较大的工程应用价值。     

LBB弹塑性断裂分析中临界裂纹尺寸计算

LBB评估中基于弹塑性断裂方法(EPFM)计算裂纹稳定扩展的临界尺寸是主要难点之一,工程应用中主要通过裂纹扩展驱动力图(J-a图)或裂纹扩展稳定性图(J-T图)计算裂纹稳定扩展的临界尺寸。针对绘制J-a和J-T图的过程较复杂,且作图法确定临界裂纹尺寸精度会受到作图质量影响的问题,基于EPRI工程评定方法的裂纹稳定扩展条件(ASME和R6等规范中也是引用的该条件),给出了一种计算裂纹稳定扩展临界尺寸的数值方法。分析案例研究结果表明,J-T图驱动力曲线存在不是直线的情况,这与简化分析假设不一致。在分析案例中,J-T图分析获得的临界裂纹尺寸是偏于保守的,当外加载荷较小时,这种保守性较小,但当外加载荷较大时,J-T图引起的保守可能高达40%左右。     

基于扩展有限元模型的动态应力强度因子计算

为准确计算基于扩展有限元法（XFEM）的裂纹扩展模型中的应力强度因子,在ABAQUS软件中建立中心裂纹平板和三点弯曲的XFEM模型,采用相互作用积分法,通过用户子程序接口分别实现了Ⅰ型、Ⅱ型断裂模式下裂纹扩展过程中应力强度因子的计算;研究了网格密度与积分半径对XFEM模型应力强度因子计算精度的影响规律,研究结果表明：当网格密度因子为0.012~0.016、相对积分半径为3时,应力强度因子收敛至稳定值,计算误差不超过3%。利用所提方法与程序计算了单边带孔疲劳裂纹扩展试样的动态应力强度因子,试验结果表明：基于Paris理论预测的剩余寿命与疲劳试验结果误差为5.3%,进一步验证了所提方法与程序的正确性。     

基于两步七点拟合法ADB610钢概率疲劳裂纹扩展研究

介绍了两步七点递增多项式拟合方法(简称两步七点拟合法)计算一系列相同裂纹长度下成组多个试样的裂纹扩展速率,然后计算一系列相同裂纹长度在不同存活率下的裂纹扩展速率P-a -da/dN和基于Paris公式的裂纹扩展速率表达式P-da/dN-△K.并采用两步七点拟合法计算了广泛应用于压力容器的ADB610钢7个CT试样在一系列相同裂纹长度下的裂纹扩展速率,以及计算了ADB610钢在存活率分别为50％,90％,95％,99％和99.9％的裂纹扩展速率和基于Paris公式的裂纹扩展速率表达式,有助于ADB610钢抗疲劳断裂可靠性的分析研究.     

大型发电机定子机座铁路运输工具-挂货钩裂纹扩展预测

基于断裂力学理论,结合ANSYS软件,对在实际运输过程中挂货钩易出现裂纹的位置进行裂纹扩展预测和疲劳寿命估算,经过计算得出存在微裂纹的挂货钩最低使用寿命。     

A study on the initial crack curving angle of isotropic/orthotropic bimaterial

In this paper, when the initial propagation angle of a branched crack is calculated from the maximum tangential stress criterion (MTSC) and the minimum strain energy density criterion (MSEDC), it is essential that you use stress components in which higher order terms are considered and stress components at the position in a distance 0.005 mm from the crack tip ( =γ . When an interfacial crack propagates along the interface at a constant velocity, the initial propagation angles of the branched crack are similar to the mode mixities (phase angle) and the theoretical values obtained from MTSC and MSEDC. The initial propagation angle of the branched crack depends considerably on the stress intensity factor K{IN2}.     

Fatigue crack propagation behavior in STS304 under mixed-mode loading

The use of fracture mechanics has traditionally concentrated on crack growth under an opening mechanism. However, many service failures occur from cracks subjected to mixed-mode loading. Hence, it is necessary to evaluate the fatigue behavior under mixed-mode loading. Under mixed-mode loading, not only the fatigue crack propagation rate is of importance, but also the crack propagation direction. In modified range 0.3≤a/W≤0.5, the stress intensity factors (SIFs) of mode I and mode II for the compact tension shear (CTS) specimen were calculated by using elastic finite element analysis. The propagation behavior of the fatigue cracks of cold rolled stainless steels (STS304) under mixed-mode conditions was evaluated by using K_I and K_II(SIFs of mode I and mode II). The maximum tangential stress (MTS) criterion and stress intensity factor were applied to predict the crack propagation direction and the propagation behavior of fatigue cracks.     

分形裂纹扩展对材料疲劳行为的影响

研究了分形裂纹扩展对材料疲劳行为的影响。在实验观测的基础上建立了分形裂纹扩展模型。研究表明，分形裂纹扩展分维Ｄ是裂纹弯折角θ的函数，分形裂纹扩展在裂纹尖端由于弯折而形成“局部混合模式”和裂纹的分形长度效应均很强地影响疲劳裂纹的有效应务强度与有效裂纹扩展速率。本文的理论民一些材料的实验结果取得了很好的一致。     

30Cr2Ni4MoV转子钢II型裂纹的疲劳扩展行为

材料疲劳裂纹扩展(Fatigue crack propagation,FCP)速率是表征材料抗疲劳破坏的重要力学性能指标,是对核反应堆工程、化工、航空、航天、高铁等关键工程进行结构完整性评价的重要依据。采用Arcan试样对30Cr2Ni4MoV转子钢的II型裂纹疲劳扩展行为进行研究,结合已有裂纹扩展方向预测准则对II型裂纹疲劳扩展方向进行预测,结果表明,最大周向应力准则可以较好地预测II型裂纹疲劳扩展方向。采用紧凑拉伸(Compact tension,CT)试样获取30Cr2Ni4MoV转子钢的I型裂纹疲劳扩展速率,对比I型裂纹和II型裂纹的疲劳扩展试验获得的FCP速率与J积分范围关系趋势,二者较为接近。针对30Cr2Ni4MoV转子钢,依据Arcan试样获得的II型裂纹疲劳扩展速率试验结果可用于结构裂纹扩展剩余寿命的预测。     

钢轨踏面斜裂纹扩展寿命的预测

利用断裂力学理论建立了钢轨踏面斜裂纹扩展寿命预测模型;以CRH2型动车组为研究对象,计算了轮轨接触时钢轨内部的应力分布,然后利用预测模型估算了钢轨踏面斜裂纹的扩展寿命,并分析了摩擦因数、裂纹倾斜角、钢轨磨损率等因素对钢轨踏面斜裂纹扩展寿命的影响。结果表明:倾斜角在30°～40°时,斜裂纹扩展寿命随摩擦因数的增大而降低;裂纹倾斜角增加到50°～60°时,斜裂纹扩展寿命先增加后减小;随裂纹倾斜角的增大,斜裂纹扩展寿命先增后减;斜裂纹扩展寿命随磨损率增大先缓慢增加,当磨损率达到一定值后急剧增加;实际使用数据间接证明了模型预测的准确性。     

钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测研究*

钢丝微动疲劳过程中,钢丝裂纹萌生特性直接影响其裂纹扩展特性,进而制约钢丝微动疲劳寿命,因此开展钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测研究具有重要意义。基于有限元法、摩擦学理论和断裂力学理论,运用Smith-Watson-Topper（SWT）多轴疲劳寿命准则建立考虑磨损的钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测模型,基于多种不同的钢丝疲劳参数估算方法对钢丝的微动疲劳裂纹萌生寿命进行了预测,并探究接触载荷、疲劳载荷、交叉角度及钢丝直径等微动疲劳参数对钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命的影响规律。结果表明：基于中值法的预测结果最接近实际值;在微动疲劳过程中,钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命主要与接触载荷和疲劳载荷相关。通过引入微动损伤参数建立简化的适用于钢丝绳的钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测模型,通过与考虑磨损的预测模型计算结果进行对比验证了该模型的准确性。     

Characterization of fracture behavior in repaired skin/stiffener structure with an inclined central crack

Finite element analysis for the stress intensity factor (SIF) at the skin/stiffener structure with inclined central crack repaired by composite stiffened panels is developed. A numerical investigation was conducted to characterize the fracture behavior and crack growth behavior at the inclined crack. In order to investigate the crack growth direction, maximum tangential stress (MTS) criterion are used. Also, this paper is to study the performance of the effective bonded composite patch repair of a plate containing an inclined central through-crack. The main objective of this research is the validation of the inclined crack patching design. In this paper, the reduction of stress intensity factors at the crack-tip and prediction of crack growth direction are determined to evaluate the effects of various non-dimensional design parameter, including; composite patch thickness and stiffener distance. We report, the results of finite element analysis on the stiffener locations and crack slant angles and discuss them in this paper. The research on cracked structure subjected to mixed mode loading is accomplished and concludes that more work using a different approaches is necessary. The authors hope the present study will aid those who are responsible for the repair of damaged aircraft structures and also provide general repair guidelines.     

薄壁件加工变形误差预估及补偿的集成

针对薄壁件数控加工过程中产生的力致变形误差,提出了一种将变形误差预测与误差补偿进行集成的方法。在提出高效的误差计算迭代算法基础上,采用APDL的方式开发了集迭代计算、刀具走刀、材料去除于一体的误差动态仿真程序,实现全过程加工误差的自动计算。借助UG二次开发工具UG/Open开发的应用程序实现了UG和ANSYS之间的数据通信,根据预测变形误差自动修正CAD模型,继而利用UG CAM生成考虑误差补偿因素的加工代码。研究了涉及误差离线预测及补偿的集成方法的多个关键技术。算例表明：误差预测值逼近实验值,精度可靠;集成软件能够自动生成误差补偿的加工代码,实现了误差离线预测和补偿全过程的CAD/CAE/CAM集成,集成程度高。     

汽车磁流变减振器的设计及多项式模型的研究

通过对汽车磁流变减振器的工作模式的分析,利用ANSYS电磁场模块和流体动力学模块,建立减振器磁路有限元模型。采用序惯耦合法,计算得出阻尼力-速度关系曲线,完成了汽车磁流变减振器结构优化设计及磁路分析。将所设计的磁流变减振器在MTS849减振器试验台上进行试验,测得磁流变减振器的示功图和速度特性,利用试验数据,进行多项式拟合,精确的建立了该减振器的阻尼力模型,与理论计算曲线比较,说明多项式模型能较好的描述减振器非线性特性和滞回特性。     

Numerical study on crack propagation in functionally graded CNT-reinforced composite plates

This paper presents a numerical method for simulating the crack propagation in functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) plates. The numerical method is based on 2-D natural element method (NEM) which can overcome the inherent demerits of FEM and conventional meshfree methods. The 3-D displacement field of cracked orthotropic plate is formulated using the (1, 1, 0)* hierarchical model and approximated by 2-D NEM. The thickness-wise mixed-mode stress intensity factors (SIFs) are computed using the modified interaction integral I^(1,2) and the 2-D complex-valued crack-tip singular fields. The crack propagation angle is determined by the modified maximum circumferential stress (MCS) criterion, and the crack trajectories are predicted by an incremental crack propagation simulation scheme. The present numerical method is verified from the comparison of predicted crack trajectories with the published reference solutions. Moreover, using the developed numerical method, the crack trajectory characteristics of FG-CNTRC plates are parametrically investigated with respect to the major parameters. From the parametric investigation, it is found that the crack trajectories of FG-CNTRC are significantly influenced by the material orientation angle and the stiffness ratio. But, the effects of the initial crack angle and the volume fraction and volume fraction pattern of CNTs are not remarkable.