疲劳裂纹扩展速率统计分析

将疲劳裂纹扩展速率分解为确定性趋势和随机涨落两部分，应用概率统计和随机数据处理方法分析了疲劳裂纹扩展速率的确定性趋势参数的统计分布和随机涨落数据的幅值特性，相关函数和功率谱密度函数，为疲劳裂纹扩展统计规律研究提供了依据。     

确定疲劳裂纹扩展速率的积分法

针对疲劳裂纹扩展试验中采用传统的差分方法得到的da/dN-ΔK数据分散性较大的问题,提出了得到裂纹扩展速率的积分方法,并将两种方法与试验结果进行了比较,结果表明,积分方法得到的结果与试验结果符合得很好,得到的裂纹扩展速率更精确。     

2024-T62铝合金疲劳裂纹扩展试验数据的统计分析

进行了3种应力水平下2024-T62铝合金的疲劳裂纹扩展试验,利用试验数据对疲劳裂纹扩展的分散性进行了统计分析。分析结果表明:2024-T62铝合金的疲劳裂纹扩展试验数据服从对数正态分布;随着载荷循环数的增加,疲劳裂纹尺寸的标准差和变异系数都增大;试验应力水平对疲劳裂纹尺寸的分散性有一定的影响,随着载荷循环数的增加,高应力水平下疲劳裂纹尺寸的标准差大于低应力水平下疲劳裂纹尺寸的标准差,且高应力水平下疲劳裂纹尺寸标准差与变异系数的增加速度比低应力水平下疲劳裂纹尺寸标准差与变异系数的增加速度快;利用疲劳裂纹扩展试验数据使随机疲劳裂纹扩展模型得到了验证。     

考虑裂尖疲劳损伤的材料疲劳裂纹扩展行为研究

基于低周疲劳Manson-Coffin关系,定义I型裂纹疲劳扩展区内关于应变幅的平均疲劳损伤参量,并结合Miner线性累积损伤理论,通过弹塑性有限元法实现材料疲劳裂纹扩展速率的预测模拟,同时也建立以显式理论公式来描述疲劳裂纹扩展速率规律的新型预测模型。在进行有限元模拟分析中借助裂尖单调塑性区平均疲劳损伤达到临界损伤即完成一次步进扩展的假定。在显式理论公式推导中采用裂尖循环塑性区平均疲劳损伤达到临界损伤即完成一次步进扩展的假定。以大型汽轮机转子材料Cr2Ni2MoV钢、航空材料TA12合金和304不锈钢材料为例,应用所提出的两种疲劳裂纹扩展速率预测方法对其进行预测,并同试验结果进行对比。对比分析表明,两种方法对材料的疲劳裂纹扩展速率行为预测均具有较高的模拟精度,而理论预测模型相比有限元模拟方法预测范围拓宽,预测精度更好,方便于根据包括材料手册的资料中低周疲劳Manson-Coffin试验关系来直接获取I型裂纹疲劳裂纹扩展速率表达式。     

有机玻璃疲劳裂纹扩展定量分析

采用断裂力学方法分析了有机玻璃裂纹尖端应力分布及银纹微纤化断裂机理 ,由此建立的力学模型所得到的疲劳裂纹扩展表达式 ,能较好地拟合有机玻璃疲劳裂纹扩展实验数据。而由裂纹扩展实验数据通过线性回归计算得出的裂纹扩展系数 B和理论门槛值 ΔKth可分别定量描述有机玻璃在中部区和近门槛区的扩展行为 ,且 B值与有机玻璃拉伸性能之间存在确定的函数关系 ,认为这两个参数可作为评估有机玻璃疲劳裂纹扩展行为的基本参量。     

考虑过载效应的金属材料疲劳裂纹扩展试验数据拟合及疲劳裂纹扩展速度计算方法研究

提出一种拟合金属材料疲劳裂纹扩展试验数据,并计算疲劳裂纹扩展速度的通用方法。该方法采用递增的三次多项式函数拟合疲劳试验数据,并采用平均加权方式计算各局部函数拟合的结果,提高了试验数据的拟合精度和疲劳裂纹扩展速度的准确性。通过在疲劳裂纹长度和扩展速度拟合结果的加权计算过程中引入delta函数,该通用方法能够有效地拟合常幅和存在过载载荷的疲劳裂纹扩展试验数据,并计算各试验点的裂纹扩展速度,同时保证了三次多项式拟合过程的连续性。通过多组常幅和存在过载载荷的疲劳试验数据拟合和现有方法及扩展有限元预测结果的对比分析,验证了该通用方法的有效性。     

不同应力比下疲劳裂纹扩展速率的改进公式

研究金属材料在不同应力比下的疲劳裂纹扩展速率描述公式,包括Ⅰ型、Ⅲ型和Ⅰ-Ⅲ型三种模式。基于现有疲劳裂纹扩展速率公式和对试验数据进行归纳,建立了以J积分变化幅ΔJ为控制参量的疲劳裂纹扩展速率改进公式。在公式中,通过引入应力比修正系数M将不同应力比R下的数据ΔJ等效到R=0时对应的ΔJeq0,并给出了M~R的经验关系式。最后,通过对文献中Ⅰ型、Ⅲ型和Ⅰ-Ⅲ型的疲劳裂纹扩展速率试验数据进行分析发现,本文建立的改进公式可以对不同应力比下的试验数据进行较好的描述。     

基于图像处理的疲劳裂纹扩展长度在线测量方法

为了在金属疲劳裂纹扩展试验中采用直观、准确、可靠的方法获得高精度裂纹长度尺寸,提出了基于图像处理技术的疲劳裂纹扩展长度在线测量方法。首先,采用大尺寸黑白全帧面阵CCD和微距显微镜头对疲劳裂纹扩展过程中的图像进行采集,分析疲劳裂纹的图像形态特征,采用亚像素边缘定位方法对预制裂纹边缘进行检测,求出疲劳裂纹起点位置。然后,对裂纹扩展区域进行图像子区划分,对图像子区采用基于灰度统计数据的自适应分割方法进行裂纹分割,采用单区域增长算法进行二值化裂纹图像连接得到裂纹主干。最后,进行了系统标定和疲劳裂纹长度在线测量试验。试验结果表明：本方法测量精度高、抗干扰能力强、数据稳定可靠,裂纹长度测量精度为0.03mm,满足裂纹扩展试验国际标准的要求。     

腐蚀疲劳裂纹扩展的计算与修正方法

本文介绍了腐蚀环境条件下疲劳裂纹扩展的计算与修正方法.在损伤容限设计中,进行疲劳裂纹扩展和寿命计算时,应以相同材料状态在相同试验条件下的试验结果为依据。当缺乏相应条件下的试验数据时,可根据其它一些试验结果进行近似估算或修正,文中提出了具体的估算或修正方法。     

表面疲劳裂纹扩展的三维效应

以拉伸圆杆为例，阐述表面疲劳裂纹扩展中的三维效应及其特点，利用最新的三维断裂力学成果给出一种考虑表面疲劳裂纹扩展三维效应的具体方法，通过该方法可以得到考虑三维应力状态的材料da/dN-ΔKeff曲线，以20CrMo钢为例，处理获得20CrMo材料的da/dN-ΔKeff基线，以此对圆杆表面疲劳裂纹的扩展进行预测分析，分析结果表明，使用该方法以及来自标准穿透裂纹试件的材料da/dN-ΔK数据可准确地预测圆杆表面疲劳裂纹的扩展寿命，该方法还可用于其他复杂结构的疲劳裂纹扩展分析。     

Fatigue life prediction by statistical approach under constant amplitude loading

In general, the experimental data of fatigue crack growth rates scatter very much even under identical experimental condition such as a constant amplitude loading condition. It is, thus, essential to take into account the data scatter of crack growth rates by using statistical approach for a reliable fatigue crack, propagation analysis. In this study, fatigue crack propagation tests were conducted on a 1.02 mm-thick 2024-T3 aluminum alloy under a constant amplitude loading condition. The distribution of the fatigue crack propagation life is estimated by using the stochastic Markov chain model based on a modified Paris-Erdogan equation to consider the variability of the fatigue crack growth. The fatigue lives estimated by using the Markov chain model are found to be agreed well with the experimental results.     

基于新裂纹扩展驱动力参量的焊接接头疲劳裂纹扩展的研究

传统上疲劳裂纹扩展速率以一个参量——应力强度因子幅(PARIS模型)或有效应力强度因子幅(ELBER模型)来表达。PARIS模型不能统计应力比效应和变幅加载历史。ELBER裂纹闭合模型虽被广泛应用,但确定其开闭口载荷的测量方法很多,且测量结果均存在主观性。最近研究表明,疲劳裂纹扩展不仅依赖于应力强度因子幅,还与最大应力强度因子有关。并且KUJAWSKI提出了两参量模型,该模型避开了有争议的裂纹闭合效应。基于一个载荷循环中柔度变化与裂纹尖端开闭口与弹塑性行为的关系,提出一个新的具有物理意义的两参量驱动力模型。针对Q345钢焊接接头各区域进行两种应力比R=0.1和0.5的疲劳裂纹扩展试验。使用该模型针对Q345钢焊接接头各区域的疲劳裂纹扩展数据进行验证。结果表明,提出的新模型在预测应力比对裂纹扩展速率的影响时比上述三个模型更有效。     

一种基于裂尖损伤区的裂纹扩展模型

提出了“裂尖损伤区”的概念,通过解析闭合模型对裂尖损伤区的应力应变历程进行了分析,应用累积损伤理论建立了一个用于分析变幅载荷下疲劳裂纹扩展寿命的模型。应用本模型计算了不同载荷谱下的裂纹扩展寿命,通过与试验结果的比较,表明本文的方法具有精度高、经济实用的特点,适合工程应用。     

基于神经网络的金属材料疲劳裂纹扩展规律的预测

人工神经网络是新型的复杂系统预测方法。本文针对金属疲劳裂纹扩展速率建立了 BP 神经网络,并以部分应力比 LD2锻造铝合金疲劳裂纹试验数据作为训练样本,训练建立好的 BP 神经网络;以另一部分应力比条件下的试验数据作为预测样本,验证训练好的 BP 神经网络的预测能力。仿真结果表明,BP 神经网络能够方便地获得不同应力比下的疲劳裂纹扩展速率,对训练样本和测试样本都具有良好的泛化能力。该方法充分利用了已有数据,减少了疲劳试验次数,具有工程应用价值。     

疲劳裂纹的扩展规律和最新研究进展

疲劳裂纹的萌生以及扩展对于零构件的安全使用存在着巨大的潜在隐患,对于广大从事材料研发工作的技术人员来说,掌握疲劳裂纹扩展的基本规律,了解国内外疲劳裂纹扩展的最新研究进展是非常必要的。本文概括了疲劳裂纹在近门槛扩展阶段和高速扩展阶段(Paris区)的扩展规律,总结了近年来国内外学者在这2个扩展阶段的最新研究进展,结合近年来飞速发展的计算机技术,概述了计算机模拟技术在疲劳裂纹扩展研究领域中的广泛应用。     

电子电路中焊点的热疲劳裂纹扩展规律

采用试验方法研究表面贴装结构焊点在热疲劳过程中的疲劳裂纹扩展规律。试验研究中选用两种不同尺寸的焊盘及两种不同的钎料(包括传统的锡铅钎料和锡银铜无铅钎料SAC305),通过观测焊点截面上的裂纹萌生及扩展过程来研究焊点中的热疲劳裂纹扩展规律。研究结果表明,在热疲劳过程中,焊点经历热疲劳裂纹萌生和扩展的两个不同阶段,其中裂纹萌生所占的时间比例较小。在热疲劳后期,裂纹贯穿整个焊点从而造成焊点结构失效。研究发现,焊点结构失效过程中存在着两种不同的裂纹扩展模式,并且锡铅钎料焊点和SAC305无铅钎料焊点的裂纹扩展规律表现出明显的差异。另外研究还发现,当焊盘尺寸较小时,焊点的抗热疲劳性能相对较差;SAC305无铅钎料焊点的抗热疲劳性能优于传统锡铅钎料焊点。     

基于FRANC2D的疲劳裂纹扩展数值模拟

介绍了二维断裂分析有限元软件FRANC2D(Fracture Analysis Code in 2 Dimensions)疲劳裂纹扩展的基本原理以及一般计算过程,为了验证FRANC2D在疲劳裂纹扩展数值模拟方面的准确性,对含中心裂纹试样平板进行疲劳试验,并将试验结果和软件中模拟的结果进行对比,同时进一步说明其方法.     

填充天然橡胶材料裂纹扩展模型的建模方法

填充天然橡胶材料疲劳裂纹扩模型是指裂纹扩展速率与撕裂能峰值之间的关系,它是用于橡胶减振元件疲劳寿命预测的重要模型。在裂纹扩展试验得到的填充天然橡胶材料裂纹扩展长度与循环次数的数据中,由于橡胶的应力软化现象,试验后期的部分数据不可用。为此,建立了数据处理方法,获得有效的裂纹扩展长度与循环次数数据。基于单轴拉伸载荷下填充天然橡胶材料最大应变能密度与最大应变满足幂函数关系的假设,建立了变幅加载工况下裂纹扩展长度与循环次数的数学模型和识别其模型参数的优化方法。在建立的裂纹扩展长度与循环次数模型的基础上,建立了裂纹扩展速率与撕裂能峰值关系的模型和确定模型中参数的数值方法。利用一组哑铃型试片的疲劳寿命实测数据,对建立的裂纹扩展速率模型进行了验证,证明了所建立模型的正确性。     

铝硅钛合金疲劳裂纹扩展行为研究

以电解铝硅钛中间合金为主要原料，熔炼与ZL101A合金成分基本相同的合金AST101，对比研究了AST101和ZL101A合金的疲劳裂纹扩展行为。在应力比R=0.1和0.5的试验条件下，AST101合金的抗疲劳裂纹扩展能力不如ZL101合金。金相分析表明，AST101合金的铁含量较高，在合金中形成了脆性针状富铁相，该相自身的断裂和与基体的脱粘促进了合金疲劳裂纹的扩展，此外，AST101合金的微观组织特性影响了疲劳裂纹的闭合程度，也降低了合金的抗疲劳裂纹扩展能力。