含夹杂物轴承钢中裂纹的萌生与扩展

针对轴承钢中夹杂物周围应力集中导致的疲劳剥落,建立了一种结合连续损伤力学的内聚力模型,用于模拟滚动接触循环加载下的裂纹萌生与扩展。基于内聚力模型的损伤起始准则和损伤演化规律,利用VUMAT子程序结合连续损伤力学构造了新的损伤演化方式,实现循环加载下的损伤累积,建立了基于内聚力模型的疲劳损伤累积失效模型,对含夹杂物模型的疲劳裂纹萌生与扩展进行了模拟,并研究了载荷条件和接触区摩擦因数对裂纹萌生与扩展以及疲劳寿命的影响。研究结果揭示了微观裂纹的萌生与扩展过程,为认识滚动接触疲劳提供了基础。     

钛合金结构疲劳全寿命计算方法研究

依照钛合金裂纹萌生和小裂纹扩展寿命较长的特点,结合目前的检测水平,将钛合金疲劳全寿命分为3个阶段,裂纹由0 mm～0.3 mm为裂纹萌生寿命,0.3 mm～2 mm为小裂纹扩展寿命,2 mm～aC为长裂纹扩展寿命。各阶段因为破坏机理的不同而采用不同的寿命预测方法,从而提高疲劳全寿命预测的准确性。超低间隙钛合金TC4ELI和TA15ELI等幅和谱载荷下疲劳全寿命试验和预测结果表明,裂纹萌生寿命在全寿命中所占比例最大,预测误差最大;长裂纹扩展寿命所占比例最小,预测精度最高;小裂纹扩展寿命所占比例稍大于长裂纹,预测误差大于长裂纹。等幅载荷和谱载荷下全寿命预测误差均符合工程结构疲劳寿命预测的精度要求。     

基于临界曲面的改进Paris定律球轴承疲劳寿命预测方法

通过场发射扫描电镜对球轴承疲劳故障点微观结构进行观察,发现裂纹总是沿着某个曲面进行萌生和扩展,扩展到一定程度后发生断裂形成近似椭圆形状的剥落点,随着球轴承的运转,不仅断裂后的裂纹发生二次剥落,而且剥落点将在新的曲面上发生多次剥落,形成断层形貌。基于此种现象,提出球轴承临界曲面的概念,假定裂纹的萌生和扩展均在此临界曲面上,将三维裂纹扩展问题转化为二维裂纹扩展问题进行分析。在临界曲面概念的基础上,提出改进的Paris疲劳寿命预测模型,将疲劳寿命分为裂纹扩展和剥落点增大两部分,分段采用改进的Paris定律预测球轴承的疲劳寿命。通过多套SKF 6205深沟球轴承疲劳寿命试验数据进行验证,与传统的SKF L-P公式预测结果相比,提出的方法能够较好地预测球轴承的疲劳寿命。     

基于动应力的地铁构架疲劳损伤与疲劳寿命计算

作为轨道车辆走行部的极关键结构,转向架构架的服役安全性受到极大重视与关注。以新设计的地铁车辆动车转向架样本构架为研究对象,基于其在位使用状态下的动应力进行疲劳损伤与疲劳寿命研究。结合车辆运行状态数据,研究构架关键部位的损伤分布特征,分析构架疲劳损伤快速累积的原因。针对样本构架关键部位：计算其裂纹萌生寿命;基于雨流计数后的应力幅子样完成应力幅分布核密度估计;建立裂纹扩展模型,采用蒙特卡洛法与反函数法计算构架关键部位不同运行里程下的累积失效概率。结果表明,构架累积失效概率随运行里程增加而快速增加,裂纹萌生后对应于97.5%可靠度的运营里程为3万km;构架疲劳寿命为裂纹萌生寿命与扩展寿命之和,97.5%可靠度下为48.39万km。研究结果为进一步提升构架抗疲劳设计、优化转向架检修周期提供研究基础。     

装甲车辆扭力轴疲劳寿命建模分析

以装甲车辆悬挂系统关键零件扭力轴为对象开展疲劳寿命建模研究,针对扭力轴表面裂纹萌生与扩展两个阶段分别进行寿命建模,重点基于Paris公式建立疲劳裂纹扩展寿命数学模型,并完成不同扭转应力下的数值计算与仿真。建立的两阶段数学模型能够为扭力轴的寿命分析提供理论支撑。     

盾构机中心刀座的裂纹萌生寿命预测

盾构机施工过程中刀盘受到交变载荷作用导致中心刀座疲劳损伤,严重情况下损伤扩展会引起刀盘断裂,极易导致安全事故。为了精确科学地解决重载状态下中心刀座疲劳损伤寿命预测的问题,在分析滚刀破岩机理的基础上,基于中心刀座有限元模型,对刀座满载工况进行静力学分析并结合Q345材料疲劳特性S-N曲线和疲劳损伤累积准则,建立了中心刀座疲劳寿命(裂纹萌生寿命)预测模型;根据掘进参数,计算中心刀座疲劳寿命掘进里程,实现了中心刀座疲劳裂纹萌生的寿命预测。结果表明:中心刀座的损伤位置主要出现在其两侧焊缝处及中心刀座与刀轴的接触面处,预测的损伤位置与施工统计结果一致;以最大损伤位置计算的中心刀座疲劳寿命掘进里程为13.51 km。相关分析结果为中心刀座设计、施工检测等提供了科学依据。     

基于晶体塑性理论的GH4169合金缺口效应研究

基于晶体塑性本构模型,通过生成宏观试样的代表性体积单元,对单轴拉伸和疲劳试验数据进行拟合以获得满足模拟条件的相关参数,并分析了网格尺寸对模拟结果的影响;采用累积塑性滑移和能量耗散作为指示因子进行疲劳裂纹萌生寿命预测,研究缺口尺寸对疲劳裂纹萌生寿命的影响.结果表明:采用所建立的模型获得的含缺口试样的疲劳裂纹萌生寿命在试验获得的疲劳裂纹萌生寿命2倍误差带内,模型具有较好的预测精度;当缺口尺寸较小时,随着缺口尺寸的增加,试样疲劳裂纹萌生寿命显著降低,当缺口尺寸大于临界缺口尺寸时,试样疲劳裂纹萌生寿命几乎不受缺口尺寸影响.     

多轴随机应变加载下铝合金缺口件有限元分析及寿命预测

在应变控制下对7075-T7451铝合金实心棒带U型环状缺口试件进行拉—扭比例、非比例恒幅和随机加载疲劳试验。查明名义剪切应力最大值与轴向应力最大值的下降规律,并用两者最先开始下降时的循环数比值来评估裂纹萌生寿命。利用弹塑性有限元法分析不同加载条件下试件缺口根部的循环应力、应变响应。基于有限元计算得到的应力、应变结果,采用拉伸型多轴疲劳损伤模型预测随机加载条件下缺口试件的疲劳裂纹萌生寿命,计算结果与试验得到的寿命比较吻合。     

一种可用于复合材料寿命预测的非线性疲劳损伤累积模型

结合试验数据,提出了一种含有3个待定参数的非线性疲劳损伤累积模型,该模型能够描述复合材料结构疲劳损伤扩展3个阶段,即可以模拟初始循环载荷的损伤快速增长阶段、达到特征损伤状态时的缓慢增长阶段及断裂前损伤快速扩展的阶段。通过算例验证:本文模型与试验数据吻合性较好,可用于对复合材料结构疲劳寿命进行预测及损伤评估。     

用小裂纹尺寸与塑性应变范围同弹性应变范围的比值计算材料的疲劳损伤

提出用塑性应变范围与弹性应变范围的比值作为载荷参量，以小裂纹尺寸作为损伤变量，用常用的材料参数作为小裂纹扩展方程式中的材料常数，建立描述弹塑性材料行为的小裂纹扩展速率方程式与各个历程的寿命估算式，从而计算结构材料在对称和非对称循环加载下的疲劳损伤，其计算结果与Landgraf公式一致。     

广布疲劳损伤裂纹萌生问题研究

围绕广布疲劳损伤裂纹萌生问题研究了广布疲劳损伤裂纹萌生寿命与广布疲劳损伤出现时间的关系,以及MSD对裂纹萌生寿命的影响。给出了根据疲劳开裂情况确定的裂纹萌生寿命和损伤累积的修正计算方法,解决了MSD结构中细节疲劳裂纹萌生寿命计算问题同时计及了MSD对裂纹萌生的促进加速效果。     

基于临界面法的缺口件多轴疲劳寿命预测

基于多轴损伤临界面原理，根据多轴疲劳损伤和裂纹萌生与扩展的特点，在所建立的统一型多轴疲劳损伤模型的基础上，进一步推广应用到缺口件的多轴疲劳寿命预测中，经多轴疲劳试验验证表明，所建立的多轴疲劳损伤模型可以较好地预测比例与非比例加载下缺口件的多轴疲劳寿命。     

基于动态响应有限元模拟的点焊接头疲劳寿命预测

利用三维有限元模拟和动态响应试验对点焊接头疲劳裂纹萌生和扩展特性进行了研究。利用所模拟的裂纹长度和固有频率的关系,定义了点焊疲劳裂纹扩展的三个阶段。根据所定义的裂纹萌生阶段的定义,利用局部应力应变法预测了点焊接头的疲劳裂纹萌生寿命。结果表明,所预测的疲劳萌生寿命与试验结果相吻合。     

基于材料细观特性的TC4钛合金疲劳裂纹萌生寿命仿真

建立了TC4钛合金材料的疲劳裂纹萌生寿命的预测模型,并通过试验验证了此模型在预测TC4钛合金材料疲劳裂纹萌生寿命时的可行性.基于裂纹萌生的细观位错模型,采用Tanaka-Mura的开裂寿命公式,考虑了表面粗糙度,提出了分析TC4钛合金材料疲劳裂纹萌生的有限元模型,并通过实验验证仿真模型的有效性.结果 表明:模型裂纹萌生形式在不同载荷水平下存在差异,高应力水平状态下,模型除了主裂纹的萌生扩展还伴有大量独立微裂纹,裂纹密度大,而在低应力水平状态下,模型存在少量独立微裂纹,裂纹密度小.     

基于能量密度法预测微动疲劳寿命

通过接触界面的应力应变场和临界平面法计算了能量密度损伤参数,结合疲劳试验得到了能量密度损伤参数-寿命关系曲线中的材料常数,建立了LZ50钢微动疲劳寿命的预测公式。根据裂纹萌生寿命预测效果,将Chen损伤值作为裂纹萌生控制参数。分析了摩擦因数、微动桥半径、循环载荷和微动桥压力对LZ50车轴钢的Chen损伤值的影响,以及CRH2型动车组空心车轴裂纹萌生的位置及寿命。     

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。     

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。     

不同断口定量分析疲劳寿命模型应用对比

介绍了金属结构材料断口定量分析疲劳寿命模型,即Paris公式、梯形法及断口宏观特征模型的应用条件和范围;利用Paris公式和梯形法对7B04铝合金和TA15钛合金疲劳试样断口进行疲劳扩展寿命定量分析,通过对两种方法计算结果的比较,并结合梯形法的本质,提出了对梯形法修正的前提和具体修正方法,即当裂纹开始扩展尺寸(a0)大于第一个测量点的裂纹长度(a1)或a0与a1非常接近时,可不对梯形法进行修正,当a0小于a1时,则计算疲劳扩展寿命时需对梯形法进行修正,此时梯形法公式中不除2;第一个测量点值后的算法保持不变;用修正后的梯形法计算的疲劳扩展寿命表明了修正方法的合理性.     

高速动车组斜齿轮的齿根裂纹萌生寿命数值计算

为分析高速动车组斜齿轮的齿根裂纹萌生寿命,采用UG建模软件建立了斜齿轮副的三维模型,并通过ABAQUS软件确定了裂纹萌生位置。基于疲劳损伤累积理论,对试验齿轮分别采用名义应力法和局部应力应变法模拟计算出裂纹萌生寿命;进行了高频疲劳试验,得到了裂纹萌生寿命,通过对比模拟结果与试验结果,确定了最佳损伤模型,计算得出了斜齿轮齿根的裂纹萌生寿命。分析了载荷、表面粗糙度、残余应力、齿顶修缘等因素对裂纹萌生寿命的影响规律。研究结果表明,载荷及表面粗糙度对裂纹萌生寿命的影响比较显著;裂纹萌生寿命随着残余压应力的增大而延长;适当的修形可延长斜齿轮裂纹萌生寿命。     

弹簧的疲劳强度,寿命预测与损伤容限

本文主要讨论了弹簧疲劳强度、疲劳寿命及其影响因素。疲劳断裂是疲劳裂纹萌生、扩展的必然结果，疲劳寿命一般包括疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命两部分，最后导致断裂。从断裂力学和ｄａ／ｄＮ－△Ｋ方程来预测弹簧的疲劳寿命，重点分析了弹簧生产过程中的损伤容限，最后提出了一些延寿技术措施。