航空发动机涡轮盘用GH4133B合金疲劳裂纹扩展寿命概率预测

镍基高温合金的概率寿命预测要求模拟多种复杂随机现象。针对室温下航空发动机涡轮盘用GH4133B合金的疲劳裂纹扩展试验数据,采用Paris公式和含门槛值ΔKth的修正Paris公式,对不同应力比下的疲劳裂纹扩展速率进行概率预测。基于Paris公式和修正Paris公式的积分式计算不同存活概率P下的理论疲劳剩余寿命Nfp,并与试验疲劳剩余寿命Nft对比。结果表明,当P=50%时,基于修正Paris公式的Nfp与Nft吻合;当P=90%时,基于Paris公式和修正Paris公式的Nfp均与Nft吻合;当P=99%时,基于修正Paris公式的Nfp具有高可靠度。基于疲劳寿命试验数据的非线性回归分析绘制Nf-Fp,m-Fp,a曲面,引入参量γ表征平均载荷Fp,m和载荷幅值Fp,a对疲劳寿命Nf的影响,结果表明,在所研究的应力比范围内Fp,m对Nf影响大。     

机器人姿态解算算法研究

在机器人惯性导航研究中,针对传统滤波方法在非线性系统模型下误差大的问题,提出了一种基于改进粒子滤波的机器人姿态解算方法。粒子滤波精度较高且不受系统模型非线性程度的影响,与扩展卡尔曼滤波算法相比在非线性系统应用中有巨大的优势。使用扩展卡尔曼滤波对系统状态进行预测,使粒子分布向高似然区移动。对粒子滤波算法的重采样过程进行了改进,提升了算法的效率。不同的地面环境下系统噪声有较大变化,将地面环境信息作为观测信息融合到系统中,对算法参数进行实时修正能够获得更高的精度。实验结果表明,应用此算法进行姿态解算精度较高,且性能优异。     

基于粒子滤波算法的动力电池SOC估计

针对电池荷电状态(SOC)容易受到电流、温度、循环寿命等非线性因素的影响,建立基于温度和电流变化的电池容量修正方程。结合安时法和复合电化学原理构建电池状态空间模型。由于粒子滤波算法对非高斯、非线性系统的适应性,因此选用粒子滤波算法来研究电池SOC估计。通过美国FTP-75工况和NEDC工况实验仿真显示,基于粒子滤波算法的电池SOC估计比扩展卡尔曼滤波算法估计精度高、适应性好。     

航空发动机涡轮盘用GH4133B合金疲劳裂纹扩展行为研究

材料的疲劳寿命由裂纹形成寿命和扩展寿命两部分组成。针对航空发动机涡轮盘用GH4133B合金,进行室温下不同应力比的疲劳裂纹扩展试验,测试疲劳裂纹扩展门槛值。Paris公式回归分析结果表明,裂纹扩展速率随应力强度因子和应力比的增大而增大,含门槛值的修正Paris公式能精确描述疲劳裂纹扩展行为。利用光学显微镜在线观测裂纹扩展路径,并利用扫描电镜考察试样断口微观形貌。结果发现,随应力强度因子增大,裂纹扩展路径由平直变得曲折。在疲劳裂纹萌生区、稳定扩展区和快速扩展区,断裂表面依次呈现为解理断裂、疲劳条带和沿晶韧窝混合断裂模式。基于断口反推理论反推载荷和裂纹扩展方程,结果表明,利用反推方程预测疲劳裂纹的扩展,可有效防范疲劳断裂的发生。     

锂离子电池循环寿命的融合预测方法

针对传统基于粒子滤波的锂离子电池剩余使用寿命预测方法的不足:过度依赖电池经验退化模型和模型输入变量单一的问题,提出了一种相关向量机、粒子滤波和自回归模型融合的锂离子电池剩余寿命预测的方法。通过相关向量机提取电池历史数据的退化趋势,构建趋势方程替换以往的电池经验退化模型,作为粒子滤波算法的状态转换方程。引入自回归模型的长期趋势预测值,替换观测值构建粒子滤波算法的观测方程。将3种方法相融合估计电池剩余寿命。实验结果表明:融合方法不仅预测精度高而且采用数据驱动的方法避免了构建复杂的电池机理退化模型,通用性强。     

疲劳裂纹三维动态扩展灰色系统预测

基于系统的观点和腐蚀深度、高载系数和载荷循环等外界因素对疲劳裂纹扩展的影响分析,应用灰色系统预测模型对疲劳裂纹的三维扩展进行动态预测和影响因素分析,建立了疲劳裂纹三维动态扩展灰色模型和灰色残差模型,对某试件疲劳裂纹三维动态扩展进行了拟合和预测,表明灰色系统模型具有较好的拟合度和较高的预测精度。     

考虑分级加载的连续非线性Chaboche-Paris全寿命模型

结构疲劳全寿命可分为裂纹萌生和裂纹扩展两个阶段,裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命的预测通常分开进行,很少有理论能将两者合二为一。结合CHABOCHE提出的非线性损伤理论,对Paris公式进行修正,将其扩展至全寿命阶段;建立损伤累积与裂纹长度关系模型,分析分级加载对损伤累积的影响。计算结果表明,提出的Chaboche-Paris全寿命模型对无初始裂纹结构的寿命预测结果与其S-N疲劳试验数据结果一致,对具有宏观可见裂纹结构的寿命预测结果与Paris公式计算结果一致,验证提出的全寿命模型在全寿命预测和裂纹扩展寿命预测两个阶段的可用性和正确性;分级加载时,Chaboche-Paris模型可以体现出加载顺序对疲劳损伤累积的影响,当外载为低-高加载时,循环比之和大于1,当外载为高-低加载时,循环比之和小于1,与试验结果吻合。     

基于最小二乘支持向量机的疲劳裂纹扩展预测

根据腐蚀疲劳裂纹在扩展过程中受到多种环境因素影响,裂纹扩展预测难精确的特点,本文提出了基于遗传算法参数优化的最小二乘支持向量机方法来预测结构腐蚀疲劳裂纹扩展。该算法采用遗传算法优化最小二乘支持向量机的模型参数,从而避免了算法陷入局部最优解,实现了精确度高、泛化能力强的裂纹扩展预测模型。最后通过对已有文献的某试件裂纹扩展的实验数据进行建模分析。结果表明:基于遗传算法的最小二乘支持向量机预测方法优于神经网络算法、蚁群算法,预测误差较小,具有很好的预测能力。     

Q345钢疲劳裂纹扩展Paris公式中参数的统计分布

针对Q345钢疲劳裂纹扩展Paris公式中两个材料参数的不确定性问题,基于恒幅载荷下Q345钢疲劳裂纹扩展速率批量试验中所获得的裂纹扩展长度与疲劳循环次数等数据,采用七点递增多项法对试验数据进行分析整理。采用最小二乘法对Paris公式进行拟合,给出该公式中两个材料参数值的随机数,并引入概率统计方法对其分布类型进行研究。结果表明,Q345钢疲劳裂纹扩展Paris公式中两个材料参数值的最佳分布类型均为正态分布,正态分布能较好地表征出Q345钢材料参数值的分布特性,为Q345钢制工程结构疲劳裂纹扩展寿命的可靠性研究提供理论参考。     

高强钢电阻点焊TS试样疲劳寿命预测

在使用裂纹扩展的方法预测焊点疲劳寿命时,裂纹尖端塑性区的存在会对寿命预测结果产生影响,而现有的大多数寿命预测方法在预测寿命的过程中并没有考虑裂纹尖端塑性对寿命预测结果的影响。针对几种不同的高强钢电阻点焊TS试样进行了疲劳寿命试验,得到了不同材料的疲劳寿命与裂纹扩展路径,在此基础上使用裂纹扩展的方法对TS试样的寿命进行了理论预测。考虑裂纹尖端的塑性变形,对理论寿命预测结果进行了塑性修正,修正后的曲线在高周疲劳区寿命预测结果几乎不变,在低周疲劳区寿命预测结果减小,寿命预测曲线变化趋势与实验结果相符合。高周疲劳由于载荷较小,塑性区半径小,所以塑性对疲劳寿命的影响小,低周疲劳区由于载荷较大,塑性区半径大,塑性对疲劳寿命影响较大。     

疲劳门槛值统一理论模型的比较及验证

针对应力比对疲劳裂纹扩展及门槛值的影响，依据裂纹闭合与裂纹扩展驱动力机制的统一思想，阐述了Zhu-Xuan模型与Kwofie-Zhu模型的建立过程，并基于25Cr2Ni2MoV转子钢焊接接头的疲劳裂纹扩展试验数据对模型进行验证。结果表明，两种模型在近门槛值区和Paris区均有良好的预测效果，其中Zhu-Xuan模型形式简单，对CrMoV钢具有普适性，预测门槛值的误差在10%以内，而Kwofie-Zhu模型预测结果更准确，但应用过程涉及参数求解，过程较复杂。研究认为，裂纹闭合与扩展驱动力机制的统一模型描述疲劳裂纹扩展行为的应力比相关性是合理可行的，且具有较好精度。     

PD3和U71Mn钢轨钢疲劳裂纹扩展速率研究

利用MTS试验机, 在常温下对两种钢轨PD3和U71Mn进行疲劳裂纹扩展速率试验研究,根据Paris公式确定两种钢轨的疲劳裂纹扩展速率,利用极大似然估计法计算带有一个随机变量描述的疲劳裂纹扩展速率的概率方程.结果表明,裂纹扩展速率曲线符合一般疲劳裂纹扩展规律;PD3的强度性能优于U71Mn,但U71Mn表现出更好的抗疲劳裂纹扩展性能,扩展速率低于PD3钢轨;疲劳裂纹扩展速率的不确定性方程与试验结果相符.     

表面裂纹疲劳扩展寿命可靠性分析

在线弹簧模型和Paris公式的基础上,提出了对表面裂纹疲劳扩展寿命进行可靠性分析的方法。针对直接Monte Carlo法效率较低的问题,采用拉丁超立方法（LHS）进行随机抽样,以提高计算的收敛速度。考虑裂纹几何尺寸、交变载荷和疲劳参数等的随机性及相关性,求得了给定可靠度下的疲劳寿命和给定寿命下的可靠度。本文结果与已有文献结果具有较好的一致性。该方法简便有效、通用性强,适合于工程应用。     

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.     

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。     

工程金属结构动态疲劳可靠性分析

首先介绍二种常用的疲劳可靠性分析模式,在视载荷与抗力为随机过程,视材料常数n和C为随机变量的基础上,对动态疲劳可靠性分析模型进行研究,建立动态疲劳可靠性分析方法.通过对Paris 模型的分析, 得到n和C的关系,试验结果的数据分析表明n和C分别符合正态分布及对数正态分布.借助二个实例,验证该方法的有效性,可作为工程机械金属结构疲劳可靠性检测评估的一种方法.     

Fatigue Crack Growth Rate of Ti-6Al-4V Considering the Effects of Fracture Toughness and Crack Closure

Fatigue fracture is one of the main failure modes of Ti-6A1-4V alloy,fracture toughness and crack closure have strong effects on the fatigue crack growth(FCG)rate of Ti-6A1-4V alloy.The FCG rate of Ti-6A1-4V is investigated by using experimental and analytical methods.The effects of stress ratio,crack closure and fracture toughness on the FCG rate are studied and discussed.A modified prediction model of the FCG rate is proposed,and the relationship between the fracture toughness and the stress intensity factor(SIF)range is redefined by introducing a correcting coefficient.Notched plate fatigue tests(including the fracture toughness test and the FCG rate test)are conducted to investigate the influence of affecting factors on the FCG rate.Comparisons between the predicted results of the proposed model,the Paris model,the Walker model,the Sadananda model,and the experimental data show that the proposed model gives the best agreement with the test data particularly in the near-threshold region and the Paris region,and the corresponding calculated fatigue life is also accurate in the same regions.By considering the effects of fracture toughness and crack closure,the novel FCG rate prediction model not only improves the estimating accuracy,but also extends the adaptability of the FCG rate prediction model in engineering.     

Discrepancies of fatigue crack growth behaviour of API X65 steel

This paper discusses the fatigue life behaviour of the API X65 steel tested under constant amplitude loading in ambient temperature. The influence of repeated loading at a particular stress ratio would favour the initiation of fatigue cracks that would consequently affect the fatigue crack growth. The main objective of this paper is to evaluate the load ratio effects on fatigue crack growth rate, taking into account their statistical characteristics. The fatigue crack growth test was carried out using compact-tension specimen at different load ratios of 0.1, 0.4 and 0.7. The experimental results showed the crack growth rate was dependent on the applied load. It was observed that the load ratio effect was less significant in stable crack growth regions. The result was consistent with the multiple regression test obtained by the least square method at a significance level of 0.05. The empirical model of Paris and Walker was utilised to evaluate the effects of load ratio on the fatigue crack growth rates. The approximation of fatigue life lies between 10-25 % of error using conservative model and 6 % error using the Walker model. The experimental data was scattered within a factor-of-2 correlation line suggesting that the accuracy of the experimental data towards the estimated values was high.     

海洋平台结构系统的冰激疲劳可靠性分析

提出一种冰激疲劳损伤简化计算方法，用于计算冰力作用下平台管节点的疲劳损伤，并根据该方法分析平台构件和整体的疲劳可靠性。该方法用两个指数函数拟合平台和海冰相互作用时疲劳应力和应力循环次数与海冰厚度、速度的关系，具有较高的拟合精度，而且给出基于S—N曲线的疲劳损伤计算公式，从而使疲劳损伤计算得到很大简化。在此基础上，给出平台构件可靠性和整体可靠性的计算方法，并通过提出冰载荷作用下海洋平台整体疲劳失效的简化判断依据，简化平台整体疲劳可靠性计算过程。同时基于断裂力学的Paris公式，建立冰载荷作用下构件疲劳裂纹扩展的可靠性模型，当平台被检测出有裂纹时，可以使用该模型对构件和平台整体进行可靠性分析。对冰激动力响应不太严重的平台，可以用文中提出的方法进行疲劳可靠性分析。