某机型货舱门下部连接接头有限元应力分析

连接接头是飞机结构设计中不可缺少的连接件,用来实现不同构件间的连接、传递和载荷分配。在使用过程中,连接接头处容易产生应力集中,导致疲劳破坏。正确分析接头的整体受力特性以及应力分布特征是减小其应力集中的关键。本文根据某机型货舱门下部连接接头的结构特点及受力情况,用MSC.Patran软件进行有限元应力分析,结合全机的应力计算结果,获得货舱门下部梁A与梁B之间连接接头的应力分析边界条件,把边界条件施加于货舱门下部梁A与梁B之间连接接头的细节有限元模型中,计算各工况下所有单元的最大应力,确定该连接接头的危险部位。     

铸造起重机金属结构疲劳裂纹扩展分析

针对铸造起重机服役过程中金属结构安全性问题,提出从疲劳破坏的角度分析其裂纹扩展情况。以铸造起重机金属结构为研究对象,调研分析铸造起重机的工艺流程,结合金属结构理论和雨流计数法,得到一年内主梁危险点的两参数二维应力谱,根据线弹性断裂力学,应用Paris公式对裂纹扩展情况进行预测,根据疲劳裂纹扩展尺寸进行预测相对应的疲劳剩余寿命。以此为基础,通过Msc.Fatigue仿真软件模拟裂纹扩展增长趋势,从而预测焊接箱形梁结构的疲劳剩余寿命。以100/40t-28.5m四梁偏轨铸造起重机焊接箱形梁结构为例,其理论计算结果与仿真结果的相对误差为1.44%。结果表明:通过理论与仿真相结合的方式可较为准确的分析疲劳裂纹扩展情形,确保了疲劳剩余寿命计算结果的精确性。     

直齿轮弯曲疲劳裂纹的扩展行为预测与分析

以渐开线圆柱齿轮为研究对象,在其齿根部存在初始裂纹的前提下,研究齿根疲劳裂纹扩展特性及其寿命;将齿轮啮合过程的动力学计算等效为多个啮合位置的静力分析,得到不同位置的应力强度因子;根据线弹性断裂力学,将裂纹扩展过程线性等效,以K判据分析裂纹是否发生扩展,根据Paris准则计算裂纹扩展量,采用最大周向应力准则确定裂纹扩展角度,得到整个计算周期的应力强度因子、疲劳裂纹扩展路径及疲劳寿命;采用高频试验台对齿轮进行疲劳试验,得到齿轮的疲劳扩展路径,与有限元计算结果进行对比验证;最后分别分析了初始裂纹的尺度、位置和载荷的不同对疲劳裂纹的扩展及疲劳寿命的影响。     

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。     

断裂力学方法估算起重机箱型梁的疲劳寿命

本文用断裂力学方法分析了起重机箱型梁的疲劳寿命。应力强度因子幅作为疲劳裂纹扩展的主要参量，由裂纹扩展方程估算了箱型梁的疲劳寿命，并与实验结果作了比较。     

齿轮齿根疲劳裂纹扩展特性和剩余寿命研究

以某渐开线圆柱齿轮为对象,基于有限元法对其齿根疲劳裂纹的扩展进行了数值模拟。首先通过对一对健康齿的啮合分析确定其啮合过程中齿根部位弯曲应力最大点,并将其作为裂纹起始点。据此将其分割为裂纹块和非裂纹块。在裂纹块预制初始裂纹并重生网格,裂纹块网格采用等参奇异单元,裂纹块和非裂纹块之间通过多点约束连接不匹配节点。利用有限元分析得到裂纹扩展过程中应力强度因子变化情况,并根据最大周向应力准则计算疲劳裂纹扩展角度,模拟齿根裂纹扩展轨迹,依据Paris公式对齿根疲劳裂纹剩余寿命进行预估。分析了载荷大小和初始裂纹长度对剩余寿命的影响。     

十字横向承载焊接接头疲劳裂纹扩展寿命估算

利用一种新的计算模型，用有限元法计算了十字焊接接头疲劳裂纹尖端的应力强度因子值，并拟合了裂纹在焊根和焊趾处扩展的应力强度因子表达式。据此利用Ｆｏｒｍａｎ疲劳模型，考虑显微金相组织的影响，估算了裂纹扩展寿命，与实验值比较，结果合理。     

2195铝锂合金火箭贮箱焊接接头强度分析

为确定火箭贮箱搅拌摩擦焊(FSW)焊接接头疲劳寿命,完成对贮箱结构的疲劳分析,对2195铝锂合金母材标准试件与搅拌摩擦焊焊接接头标准试验件进行静力试验与常幅疲劳试验,得出母材与FSW焊接接头的拉伸强度等力学性能参数,同时绘制其S-N曲线。在试验数据基础上,应用ABAQUS软件对贮箱进行静力分析,联合NCODE软件估算贮箱模型在给定工况载荷下的疲劳寿命。结果表明：应力最严重位置为筒段焊缝处,最先破坏位置发生在筒段横竖焊缝交接处。在疲劳寿命分析的基础上应用ABAQUS-FRANC3D软件联合仿真,在焊缝破坏位置处插入角裂纹,模拟三维裂纹扩展,当裂纹扩展为穿透裂纹时,计算终止。计算了三维表面裂纹的应力强度因子和裂纹扩展寿命,为贮箱损伤容限提供了评估思路。     

16Mn钢焊接件疲劳裂纹扩展特性研究

本文研究了16Mn 钢焊接接头疲劳裂纹扩展特性。结果表明:影响焊接接头裂纹扩展速率的因素是焊接接头的残余应力和金相显微组织。当应力比 R<0.6时,残余应力是影响焊接接头疲劳裂纹扩展速率的主要因素,显徽组织次之;当应力比达到0.6时,残余应力影响减弱。根据实验结果提出了焊接接头疲劳裂纹扩展速率的预测模型,与实测结果相近,具有一定的实用价值。     

在役超高压反应管的疲劳强度及裂纹扩展寿命的研究

本文根据带内外壁人工缺口高压聚乙烯反应管的内压疲劳试验结果,分析了适用于厚壁管的应力强度因子表达式,研究了残余应力衰减对反应管疲劳裂纹扩展寿命的影响。研究结果表明:厚壁管的疲劳裂纹扩展计算应采用Newman—Raju公式(对外壁裂纹还应进行适当修正);自增强残余应力的作用主要在提高裂纹萌生寿命,而对在役反应管的裂纹扩展寿命影响不大;反应管的裂纹扩展寿命较短,所以应尽量避免内外壁产生裂纹。     

Gear crack propagation investigations

Analytical and experimental studies were performed to investigate the effect of gear rim thickness on crack propagation life. The FRANC (FRacture Analysis Code) computer program was used to simulate crack propagation. The FRANC program used principles of linear elastic fracture mechanics, finite element modelling, and a unique re-meshing scheme to determine crack tip stress distributions, estimate stress intensity factors, and model crack propagation. Various fatigue crack growth models were used to estimate crack propagation life, based on the calculated stress intensity factors. Experimental tests were performed in a gear fatigue rig to validate predicted crack propagation results. Test gears were installed with special crack propagation gauges in the tooth fillet region to measure bending fatigue crack growth. Good correlation between predicted and measured crack growth was achieved when the fatigue crack closure concept was introduced into the analysis. As the gear rim thickness decreased, the compressive cyclic stress in the gear tooth fillet region increased. This retarded crack growth and increased the number of crack propagation cycles to failure.     

核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命的研究

提出核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命的计算与评定方法。介绍核电汽轮机转子的低周疲劳与高周疲劳的应力幅与应力范围、低周疲劳裂纹扩展寿命与高周疲劳扩展寿命的计算方法。给出了核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展日历寿命的计算与评定方法,以及1 000 MW级核电汽轮机焊接低压转子疲劳裂纹扩展日历寿命的计算与改进的应用实例。结果表明,高周疲劳对汽轮机转子疲劳裂纹扩展日历寿命有比较大的影响,新研制核电汽轮机的转子结构设计和在役核电汽轮机的转子安全性评定,需要评估转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展 寿命。     

基于疲劳短裂纹行为的疲劳寿命估算方法

在疲劳短裂纹形成和扩展行为基础上，提出了一种疲劳寿命估算方法。计算结果表明，该方法具有满意的预测精度。     

基于断裂力学的DAS组合密封圈疲劳寿命预测

基于断裂力学理论，推导撕裂能与疲劳裂纹扩展速率间的函数关系式，将复杂的多方向应力转化为单轴等效应力，建立丁腈橡胶疲劳寿命预测模型。选用Mooney Rivlin本构模型来表征丁腈橡胶超弹性力学行为，在简化DAS组合密封圈结构后建立有限元模型，并通过计算应力分布确定危险单元位置。通过拟合拉伸试验数据得出应力应变关系，采用数值分析方法计算撕裂能变化量，并预测裂纹萌生位置与疲劳寿命。结果表明，DAS组合密封圈的危险单元位置在密封圈接近右侧密封槽倒角处。仿真软件预测的危险单元位置和疲劳寿命与理论计算结果一致，验证理论计算结果的正确性。     

腐蚀环境对飞机梁结构连接件疲劳寿命和裂纹扩展的影响

借助腐蚀环境谱与疲劳载荷谱交替作用来模拟沿海飞机停放-飞行-停放过程。以飞机梁结构连接件的下壁板为主要研究对象,采用标记载荷法和详细目视检测法监测其裂纹的扩展状况,并采用GE5显微镜观测断口形貌。分析了腐蚀环境对梁结构连接件疲劳寿命与裂纹扩展的影响。试验结果表明:在形成穿透裂纹的初始阶段,试验件受到表面的防护漆以及连接处的密封胶保护,腐蚀环境在该阶段对梁结构连接件的疲劳寿命影响不明显,与非腐蚀试验相比, 该阶段的寿命仅缩短了5.5％;在穿透裂纹的扩展阶段,腐蚀环境加速了穿透裂纹的扩展过程,同时还加剧了穿透裂纹扩展过程的分散性,与非腐蚀试验相比,穿透裂纹的扩展寿命缩短了23.1％。     

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。     

考虑残余应力的螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法研究

考虑渗碳、磨齿、喷丸等工艺产生的齿面残余应力,建立齿面接触应力与残余应力的复合应力场,提出一种螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法。构建齿轮有限元接触分析模型,计算多轴交变接触应力场。考虑空间螺旋曲面残余应力分布的复杂性,将变曲率齿面离散为网状节点;测量各节点表面与次表面的残余应力,建立齿面残余应力场。基于Dang Van多轴疲劳准则,构建齿面裂纹萌生模型;计及残余应力与裂纹闭合效应,构建齿面裂纹扩展模型。计算复合应力场下齿轮接触疲劳寿命,研究残余应力对齿面裂纹萌生-扩展寿命的影响规律。结果发现：复杂齿面空间变曲率会影响喷丸等工艺产生的残余应力分布,中心区域的残余压应力高出齿面边缘区域约20%;复合应力场下齿面裂纹萌生位置与寿命主要取决于接触应力,残余应力会改变齿面节点平均应力进而影响疲劳寿命;齿面裂纹扩展寿命约占全寿命的10%,表征齿轮接触疲劳快速失效至迅速断裂。上述研究对于高性能齿轮传动的长寿命、高可靠性设计具有一定的参考价值。     

Numerical Investigation into the Effect of Contact Geometry on Fretting Fatigue Crack Propagation Lifetime

Fretting fatigue is a phenomenon in which two contact surfaces undergo a small relative oscillatory motion due to cyclic loading. There is a need to analyze the effects of contact geometry on crack propagation under fretting fatigue conditions. In this investigation, a finite element modeling method was used to study the effects of different contact geometries along with crack–contact interaction on crack propagation lifetime. Different contacts geometries—that is, cylindrical on flat and flat on flat—along with different contact span widths were analyzed. In addition, the effects of different contact spans on stress distribution at the contact interface were investigated. The computed crack propagation life was compared with experimental results. It was found that the crack initiated near the contact trailing edge for all contact geometries, which agreed with experimental observations. In terms of crack propagation for different contact spans, the fretting fatigue life for a two-based cylindrical pad was shorter than that for a two-based flat pad. By increasing the contact span width for both flat and cylindrical pads, the crack propagation lifetime increased. A comparison between the experimental and numerical results demonstrated a difference of about 18% in crack propagation lifetime.     

Influence of Nano/Micro CBN Particle-Coated Tools on Rolling Contact Fatigue Performance of Hard-Machined AISI 1053 Steel

In this article, we study the influence of the cubic boron nitride (CBN) particle size in nano/micro CBN particle-coated tools on the fatigue performance of hard-machined AISI 1053 steel. The effect of the CBN particle size on the crack initiation life and the crack propagation life is reduced significantly with increased loading, whereas the crack propagation life is more influenced by the CBN particle size compared with the crack initiation life. The CBN particle size can influence the crack initiation life by 96 % and the crack propagation life by 130 %. As a result, it can influence the fatigue life by 370 % at the maximum Hertzian stress of 2,724 MPa. The results demonstrate that the CBN particle size influences the fatigue life and that the effect of the CBN particle size on the fatigue life can be lessened significantly if the loading is increased to a certain level that depends on the function of machined surfaces.