钛合金焊接结构疲劳损伤分形演化寿命预测方法

以航空发动机压气机常用材料TC11钛合金的焊接构件为研究对象,基于损伤力学理论对其疲劳损伤演化规律进行了研究,应用分形几何理论定义损伤变量,建立了用分形损伤变量表达的损伤分形演化模型。通过疲劳寿命试验和疲劳断口分维数测量,建立了疲劳损伤分形演化方程,进一步研究疲劳损伤参数与外载荷的关系,给出了一种能够将结构宏观疲劳损伤寿命与反映结构细观损伤效应的分维数相联系的新的疲劳寿命预测方法。     

金属构件双变量疲劳损伤模型的研究

引入描述双变量损伤条件下的本构关系,进而以热力学原理为基础,引入损伤驱动力,建立损伤演化准则。构建一般情况下的时间型损伤演化方程和循环型损伤演化方程。利用分离变量方法再对损伤演化方程积分,得到光滑试件在恒幅应变交变载荷作用下寿命预估方法。根据损伤力学守恒积分原理,得到有缺口试件在恒幅应变交变载荷作用下寿命预估方法。利用上述寿命预估方法,由KT=1与KT=3的标准试件中值疲劳试验数据确定损伤演化方程中的材质参数。在此基础上给出不同KT下的理论中值疲劳曲线,为采用损伤力学方法来描述构件的疲劳寿命提供一种可行的方法。     

基于分形理论的复杂应力状态下高温低周疲劳表面短裂纹行为研究

含有裂纹的固体从物理角度看实际上是一个非线性耗散系统,可以用分形理论加以描述.疲劳短裂纹的扩展路径可视为分形曲线,裂纹扩展路径的不规则性可用分形维数加以描述.裂纹扩展的分形维数中隐含着诸多的物理因素,如材料微观组织结构、加载条件等.以复杂应力状态下高温低周疲劳表面短裂纹为研究对象,对20钢进行高温低周疲劳试验,观测试样表面疲劳短裂纹的萌生扩展及合体的演化过程,对试验结果进行分形分析,得到裂纹分形维数随循环过程的演化特征:疲劳短裂纹的萌生扩展行为具有分形特征,分形维数随着疲劳进程的发展而稳定地成比例增加;分形维数不产生缺口依存性,可适用于各种不同应力比的复杂应力状态短裂纹的表征;分形维数可作为把握材料总体损伤状态的参数,为材料短裂纹阶段的寿命预测提供依据.     

镁合金非对称应力载荷下的低周疲劳损伤演化和寿命预测

将弹性模量、等效模量、总应变能密度及平均应变的变化作为损伤变量,对镁合金非对称应力载荷下的低周疲劳损伤演化进行分析,建立了相应的寿命预测模型。结果表明：选取总应变能密度或平均应变的变化作为损伤变量可以描述镁合金非对称应力载荷下的低周疲劳损伤演化,相应的寿命预测模型预测效果较好;选取平均应变的变化作为损伤变量所得损伤曲线具有更好的代表性。     

基于裂缝分形特征的钢混梁疲劳损伤精细评估

为了改进传统损伤检测和识别方法在精度和实用性等方面的不足,基于分形理论和图像处理技术,提出提取桥梁关键部分表观裂缝特征和分形盒维数的方法,通过建立表观裂缝分形维数和典型力学参数之间的函数关系实现损伤评估。为了验证该方法的有效性,开展 T型钢筋混凝土简支梁的疲劳加载试验。采用分形理论建立不同疲劳加载和损伤状态下的裂缝分形维数与跨中挠度、一阶频率和静动刚度等实测参数的函数,明确分形维数与损伤指数的匹配关系。结果表明,基于分形维数的损伤评估具有良好的准确性和鲁棒性,可以通过传统物理参数与裂缝分形维数的稳定函数关系对桥梁疲劳损伤进行精细化评估。     

某飞机机轮轮毂疲劳寿命分析的损伤力学方法

以某型飞机机轮轮毂为研究对象,对轮毂的疲劳寿命采用损伤力学方法进行分析。首先采用有限元软件Ansys对轮毂结构进行细节应力分析,结合实际情况确定其疲劳危险部位。然后采用损伤力学方法,通过引入损伤变量和损伤驱动力,构建反映材料损伤演化速率的损伤演化方程,并根据手册提供的材料疲劳性能曲线,计算出轮毂材料的疲劳损伤演化门槛值。进而根据损伤力学方法和有限元细节应力计算结果,分析轮毂危险部位的应力循环特征。最终对飞机机轮轮毂的疲劳裂纹萌生寿命范围进行判别,得到疲劳寿命符合设计要求的结论。     

分形几何理论在管道振动分析中的应用

1 引言 分形是事物的局部与整体有某种相似性的形体,分维数是分形体复杂程度的度量,分形几何学是研究分形体的理论.平面图形也可能是分形体.管道受击振动产生的时域信号波形图可视为平面图形.如果波形图具有分形结构,根据分形几何理论,可用分维数描述其分形特性.不同激振源引发的管道振动波形的分维数不相同,可以用于管道振源识别,进行简单、有效的故障诊断.     

常幅循环载荷下纤维薄板增强钢筋砼梁的损伤行为研究

以碳纤维薄板增强钢筋混凝土梁为研究对象,通过对常幅循环载荷作用下增强梁的弯曲试验研究,揭示其疲劳破坏机理,建立描述构件损伤、断裂过程的结构损伤累积模型.试验得到增强梁的疲劳寿命曲线以及跨中挠度、抗弯刚度的演化规律.提出的由构件抗弯刚度表达的非线性结构疲劳损伤演化方程,描述包括混凝土开裂、碳纤维薄板与混凝土界面剥离等破坏模式在内的损伤、破坏过程,并能够对构件疲劳寿命进行预测.     

构件疲劳寿命预估的改进型损伤力学方法

引入应力集中因子修正疲劳极限,提出一种实用有效的损伤演化方程.根据损伤力学守恒积分原理,得到缺口试件应力和应变集中与损伤度的耦合关系.利用分离变量方法对损伤演化方程积分,得到构件的应力与寿命关系的积分表达式.损伤演化方程中的材质参数由KT=1与KT=3的标准板试件试验疲劳曲线确定.损伤演化方程与寿命预估方法的正确性由KT=5的疲劳试验结果验证,为采用损伤力学方法预估构件的疲劳寿命提供一种可行的方法.最后,应用此方法提供KT=4与KT =2时的理论疲劳曲线.     

复合绝缘子芯棒疲劳断裂特性分析

在自制疲劳试验机上模拟了复合绝缘子实际运行时的疲劳损伤过程,分别讨论了摆动幅度和扭转角度对绝缘子疲劳寿命的影响。并采用超景深三维显微系统测量了绝缘子断口表面形貌,利用分形几何学理论定量表征了断口表面形貌。研究表明,芯棒疲劳断裂是在循环应力的作用下,芯棒裂纹逐渐深化直至大量纤维断裂的过程。断口表面分形维数介于2～3之间,且线性回归相关系数都在0.99以上,强的相关性表明断口表面分形维数具有明显的分形特征;断口形貌的形成不仅受载荷产生的形变影响,也与载荷循环次数有关,断口表面分形维数与其受到的载荷呈正相关,与应力循环次数呈负相关关系。     

铝合金预腐蚀剩余寿命的分形维数预测方法

试验得到在EXCO溶液中预腐蚀不同时间的LC4CS光滑试件的腐蚀表面轮廓线和剩余疲劳寿命。分析了预腐蚀剩余寿命和断口附近轮廓线分形维数随预腐蚀时间的变化规律,针对该规律选取分形维数为预腐蚀剩余寿命损伤参量。试验结果表明:断口附近腐蚀表面轮廓线的分形维数受腐蚀形貌分散性的影响较小,与剩余寿命呈线性关系且与载荷无关,由分形维数计算得到的剩余寿命处于二倍分散带之内。     

复杂加载条件下压力容器典型用钢疲劳蠕变寿命预测方法

针对多轴应力状态,探讨压力容器典型用钢16MnR缺口试样的高温疲劳与循环蠕变交互作用行为,在延性耗竭理论和损伤力学基础上,建立一种半寿命平均位移速率寿命预测模型,采用该方法对不同缺口半径试样的高温疲劳寿命进行了较好的预测.针对多级加载条件,研究316L钢的循环变形行为,探讨疲劳蠕变与动态应变时效之间的耦合作用,在延性耗竭理论基础上,建立非线性损伤演化模型,考虑多级加载时的载荷历程效应,提出一种新的损伤累积准则,采用该方法对二级加载条件下的疲劳蠕变寿命进行了较好的预测.     

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。     

基于连续损伤模型橡胶弹性减振元件疲劳寿命分析

基于连续介质损伤力学理论研究橡胶类材料疲劳寿命预测方法,用一阶Ogden应变能函数导出橡胶材料疲劳损伤演化方程,建立以等效应变范围为损伤参量的疲劳寿命预测模型。拟合橡胶材料无切口试样拉伸试验应力应变数据,获得橡胶超弹材料Ogden本构模型参数,通过有限元结构分析得出转臂橡胶球铰在疲劳载荷工况下的主应力分布。应用橡胶超弹材料等效应力计算法则与橡胶材料无切口拉伸试验应力应变数据,提出复杂应力状态下橡胶弹性减振元件等效应变范围计算方法,得出转臂橡胶球铰的等效应变范围。利用所建疲劳寿命模型对橡胶球铰进行寿命分析预测,并通过转臂橡胶球铰台架疲劳试验进行验证,结果显示试验疲劳寿命是预测疲劳寿命的1.96倍,预测精度比较理想。     

钛合金TC4低周疲劳连续损伤力学研究

基于Lemaitre损伤理论,利用改进的损伤演化模型和损伤解耦简化分析方法,对钛合金材料TC4(Ti6Al4A)进行等幅低周疲劳损伤演化的理论分析和试验研究.试验结果表明,TC4材料的明显循环软化阶段和宏观裂纹扩展阶段较短,在两者之间的稳定损伤演化阶段,随循环次数的增加,应力幅平稳、缓慢地降低,下降幅度不很大,该阶段构成低周疲劳寿命的主要部分;在典型低周疲劳阶段TC4材料损伤抗力较强,疲劳破坏对于连续损伤比较敏感.用简化的损伤力学分析方法,计算试件和元件的低周疲劳损伤和寿命,验证方法的有效性.所建议的方法比较简单,可用于具有类似疲劳破坏特点的材料与构件的损伤演化分析和寿命预测.     

小钉密排代替大钉疏排的铆接接头疲劳寿命预估与优选设计

连接件钉排布决定了钉载分布,进而决定了连接件的疲劳寿命。优化连接件钉排布,将有效地提高连接件疲劳寿命。损伤力学将结构应力和材料损伤分析结合起来,较为准确地描述应力—损伤的耦合作用以及损伤演化,为工程结构疲劳分析提供有力的依据。以损伤力学为理论基础,以小钉密排代替大钉疏排为连接件钉排布设计原则,结合有限元计算,对连接件钉排布进行优化设计,并预估连接件疲劳寿命。结果表明,小钉密排代替大钉疏排不仅可以有效降低连接件应力水平,显著提高其疲劳寿命,同时也有利于减小连接件质量,实现连接件延寿和减重的双重优化。另一方面,运用损伤力学理论方法结合有限元计算,进行结构疲劳寿命预估,大大减少了试验工作量,为结构抗疲劳设计提供理论指导,大大缩短了连接件结构设计周期,还可用于实际工程结构疲劳损伤的实时监测。     

基于损伤力学预估切口构件裂纹形成寿命

构件的疲劳寿命包括裂纹形成和扩展两个阶段,断裂力学估算裂纹扩展寿命已经相当成熟,但其无法估算裂纹形成寿命,因此基于损伤力学理论建立的疲劳损伤模型被用来预估裂纹形成寿命,且取得很好的效果。文中基于疲劳损伤模型预估缺口试件的裂纹形成寿命,利用封闭解的方法给出了切口构件在拉压载荷下的损伤演化方程,同时计算了不同应力集中系数下切口试件裂纹形成寿命,经试验验证,该方法预估的寿命与试验寿命基本吻合且偏于安全。     

钢丝绳弹塑性损伤本构模型研究

通过分析钢丝绳的结构与材料特点以及主要失效形式,将材料损伤力学理论引入到钢丝绳失效模型,结合材料损伤理论,建立了含损伤的钢丝绳弹塑性损伤本构模型,推导了钢丝绳受到拉伸载荷作用时的损伤变量演化方程,编写了含损伤与不含损伤的钢丝绳弹塑性损伤有限元仿真分析程序,计算得到了钢丝绳在受到拉应力作用下的损伤演化历史,对比计算了不含损伤与含有损伤的两种本构模型的仿真计算结果,为进一步开展基于损伤力学的钢丝绳寿命与可靠性研究提供了基础。     

基寸电阻法的铝合金疲劳损伤表征

基于电阻法定义了表征铝合金构件疲劳损伤程度的损伤变量,并给出了铝合金疲劳损伤累积模型,以及基于电阻变化的疲劳剩余寿命预测公式。通过6A02铝合金疲劳试验,对得到的理论预测公式进行了验证。结果表明,基于电阻的损伤变量能够较好地反映出铝合金材料的疲劳损伤过程,理论预测模型对于铝合金材料高循环周次疲劳剩余寿命具有较高的预测精度,而对于低循环周次疲劳剩余寿命的预测能力有限。本文给出的模型具有一定的工程参考价值。     

铝合金铸件疲劳寿命预测和累积损伤评估

建立在铝合金铸件中微观孔洞演化的数学模型，并讨论含孔洞铝合金铸件的材料模型。具有微观孔洞的铝合金铸件可以作为含损伤的材料，采用损伤度作为描述材料损伤的变量。应用含损伤的弹性材料本构关系，分析铝合金阶梯型含损伤铸件的力学性能和疲劳寿命。应用Gurson模型和屈服条件，评估铝合金铸件源于微孔洞的累积损伤及对材料塑性变形行为的影响。初步建立铸件疲劳寿命模拟分析系统。该系统包括铝合金铸造凝固过程模拟模块和疲劳寿命分析模块。