材料S-N、ε-N及dα／dN-△K疲劳性能数据之间的内在联系

材料的S-N、ε-N及dα／dN-△K疲劳性能数据分别是应力寿命法、局部应变法以及LEFM裂纹扩展法进行结构寿命分析的基础。文中根据几种疲劳寿命模型，探讨同一材料三种疲劳性能数据之间的内在联系及相互预测的可能性。具体内容包括，(1)用dα／dN-△K性能数据预测S一Ⅳ数据。(2)用ε-N性能数据预测S-N数据。(3)用ε-N性能数据推测dα／dN-△K数据。研究结果表明，同种材料的S-N、ε-N及dα／dN-△K疲劳性能数据之间是相互联系的，存在相互预测的可能性。     

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。     

T型焊接接头的低温P—da／dN—ΔK曲线

T型焊接接头是海洋工程中较为典型的结构细节，研究其低温P－da/dN-ΔK曲线，对确定焊接构件在冬季服役时的检修周期具有重要意义。在100吨MTS电液伺服材料试验机上进行了3件T型焊接接头的低温疲劳裂纹扩展试验，测出了其中值da/dN-ΔK曲线，通过样本试验的理论推导与计算，利用变异系数CV的经验取值，初步得出T型焊接接头的低温P－da/dN-ΔK曲线。     

“过载”在da/dN—ΔK曲线与ΔK_(th)降载法测量中的影响及其对策

对在 10 - 5～ 10 - 7mm cycle疲劳裂纹扩展曲线da dN—ΔK和疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth测量中常用的降载法进行研究。每一级载荷疲劳裂纹扩展二次 (Δa1i,ΔN1i)和 (Δa2i,ΔN2i)。用多点多项式分别拟合 (Δa1i,ΔN1i,ΔK1i)和(Δa2i,ΔN2i,ΔK2i) ,i=1,2 ,3 ,… ,n。每一种材料得到两条da dN—ΔK曲线和两个ΔKth。结果表明 ,降载法中的前一级载荷仍明显有过载作用 ,干扰材料疲劳裂纹扩展 ,影响测量数据的真实性。本文提出解决方法———“二次扩展法” ,即在每一级载荷 ,舍去受前一级载荷影响大的第一次循环数据 ,而用受前一级载荷影响较小的第二次循环数据作为疲劳裂纹扩展曲线da dN—ΔK和计算疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth的数据     

等效结构应力法在高强钢疲劳寿命预测中的应用

利用成组法对某工程机械常用高强钢材料制作成的对接接头的疲劳寿命开展试验研究。采用美国机械工程师协会(ASME)标准中"网格不敏感的结构应力法及主S-N曲线法"对上述接头的疲劳寿命进行预测。研究表明:基于等效结构应力法的高强钢对接接头疲劳寿命预测结果与试验结果存在一定的偏差。依据董平莎提出的主S-N曲线修正表达式,并结合高强钢对接接头试验结果,引入等效结构应力范围(Δss)修正系数,得到适用于900 MPa级高强钢疲劳寿命预测的修正主S-N曲线。     

近门槛区裂纹扩展曲面族的优化构建

描述裂纹扩展规律使用较广泛的是Paris公式,但对于接近裂纹扩展门槛值的数据点已不再适合用Paris公式。在本文中采用Donahue的三参数幂函数表达式描述da/dN-ΔK曲线。通过线性拟合相关系数的优化确定其中的3个系数,并得到拟合的裂纹扩展理论门槛值。采用弦截法进行优化求解,该方法具有收敛快、精度高的特点。根据裂纹扩展门槛值与应力比之间的关系,结合应力比对裂纹扩展速率影响的特点,提出了根据一组恒载下的裂纹扩展试验数据,构建变幅载荷下的P-R-da/dN-ΔK曲面族的方法,所构建的曲面族可为变幅和随机载荷作用下结构的疲劳断裂可靠性分析提供依据。     

硫化氢环境中低周疲劳裂纹扩展速率的研究

针对高强钢在硫化氢环境中腐蚀疲劳数据极为缺乏的现状,研究高压气瓶材料4130X在硫化氢腐蚀介质中的疲劳裂纹扩展速率.结合气瓶实际运行的环境和应力状态,应用改进型WOL(wedge-opening-loading)试样,在自行改造的专用低周腐蚀疲劳试验机上,完成0.006 7 Hz超低频率下饱和H_2S溶液、中等浓度H2S溶液和空气三种环境下的腐蚀疲劳试验,并用Paris公式进行两段式拟合,得出da/dN-ΔK的数学表达式.将试样微观断口的变化与宏观应力强度因子K的变化进行对比研究,给出不同环境中三个阶段K值的定量结果.结果表明:相同条件下,H_2S环境中的疲劳裂纹扩展速率比空气环境中大20倍以上;但当H_2S浓度达到一定范围后,对da/dN影响并不按比例增长,浓度相差11倍时,da/dN相差2.4倍,H_2S腐蚀介质的存在加速了疲劳破坏.     

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。     

C级铸钢重构S-N曲线模型的研究

给定若干概率水平的常规疲劳可靠性S-N曲线只能做相应概率水平的疲劳设计与寿命预测,要实现任意可靠性水平的疲劳设计、寿命预测和失效率分布规律估计,需要重构广义概率疲劳可靠性S-N曲线.首先应用Monte Carlo模拟技术在可接受的误差范围重构C级铸钢的疲劳极限和成组法S-N数据,然后应用广义极大似然法测定其中短寿命范围的可靠性S-N曲线,最后应用概率疲劳极限外推法获得该材料长寿命范围的合理疲劳概率S-N曲线.     

典型构件疲劳性能S-N曲线的获取及应用

用名义应力法评估飞机结构使用寿命时,常用材料疲劳性能S-N曲线替代结构疲劳性能S-N曲线,这将导致疲劳分析偏离,依据以往疲劳试验寿命数据,拟合典型构件的S-N曲线,应用名义应力法进行寿命估算,并与试验结果进行比较,理论估算值与试验结果具有很好的一致性。     

基于CJP模型的疲劳裂纹扩展率曲线及应用方法

利用数字图像相关技术开展工业纯钛5种不同高宽比CT试样的疲劳裂纹扩展率试验,分别采用传统应力强度因子范围ΔK和基于CJP模型理论框架的新应力强度因子范围ΔK_(CJP)对数据进行分析,得到的da/d N-ΔK和da/d N-ΔK_(CJP)曲线均有效反映了试验数据分布规律,具有良好的拟合效果。相较于传统参量ΔK,ΔK_(CJP)直接由裂尖位移场求解,无需进行修正即可用于材料疲劳裂纹扩展率描述,具有与CT试样高宽比无关的特性;作为ΔK_(CJP)的两个组成参量,ΔK_F、ΔK_R与传统ΔK数据间均呈现出某种总体变化趋势,分别可用二次多项式和线性方程表征。构造了ΔK_(CJP)与ΔK的关联函数,并由此推导出ΔK_(CJP)表达式,为da/d N-ΔK_(CJP)曲线在材料与结构的失效分析和安全评价中的应用提供了有效途径,拓宽了CJP模型的工程应用范围。     

平均数据ε-N曲线和P-ε-N曲线小子样推断方法

工程中已积累大量材料的应变疲劳试验数据,但是许多文献中仅给出其平均寿命数据.针对这一情况,文中采用异方差回归分析理论,建立一种由平均寿命数据确定ε-N曲线和P-ε-N曲线的小子样方法.该方法通过将不同应变水平下的平均寿命数据作为一个整体进行统计分析,能对散点数据和异方差数据进行处理,从而可以根据以往积累的应变疲劳平均寿命数据,在不补充试验的情况下求得高置信度、高可靠度的P-ε-N曲线,为可靠性设计和寿命评估提供依据.     

TLVW1114Ti钢疲劳特性研究

对TLVW1114Ti材料进行了疲劳试验,得到了应力 寿命曲线,当σ>σ0.1=402MPa时,N=4.102×1044σ-14.501;得到了应变疲劳特性Δσ/2=1006(2Nf)-0.0998,Δεp/2=1.1758(2Nf)-0.7487,Δσ/2=977.7(Δεp/2)0.1321;当da/dN≥5×10-5mm/周,其裂纹扩展速率为da/dN=2.2364×10-9(ΔK)3.1541,当da/dN<5×10-5mm/周,da/dN=1.54147×10-14(ΔK)8.644。     

K403合金高温低周应变疲劳寿命预测方法研究

对材料K403进行700℃应变控制的低周疲劳试验.用Manson-Coffin方程进行数据处理,并对该材料700℃时的低周疲劳寿命进行预测.针对在用Manson-Coffin方程进行数据处理时出现负的塑性应变和寿命预测结果不理想的情况,提出一种基于应力疲劳和Manson-Coffin方程的等温低周应变疲劳寿命预测方法,并用该方法对材料K403在700℃时的低周疲劳数据进行处理,得到寿命预测方程.通过寿命预测发现,该方法得到的寿命预测方程不仅使试验数据得到充分的利用,而且寿命预测能力较Manson-Coffin方程的寿命预测能力有明显提高.     

船用螺旋桨铜合金的腐蚀疲劳性能

本文模拟船用螺旋浆的受力状态及工作环境,采用小试样,低应力的高周疲劳进行裂纹扩展试验,来研究螺旋浆铜合金材料的腐蚀疲劳性能。重点测定裂纹扩展速率da/dN,并通过da/dN来估算疲劳裂纹扩展寿命,评定五种铜合金的优劣。探讨了它们的常规力学性能与腐蚀疲劳能之间的关系。对腐蚀疲劳断口进行了分析。同时比较了黄铜的锌当量及晶粒度对腐蚀疲劳性能的影响。     

大模数淬火齿条表面裂纹扩展规律及寿命预测研究

针对大模数齿条的疲劳寿命难以精确计算问题,对大模数表面淬火齿条的裂纹扩展规律进行了研究。建立了含共线初始双裂纹的齿条FRANC3D模型,齿条啮合区离散为15个区域载荷;分析了表面感应淬火齿条硬度分布、残余压应力分布对疲劳裂纹扩展寿命的影响,推导了齿条的断裂韧度K_(IC)与应力强度因子门槛值ΔK_(th);运用FRANC3D软件,对双共线初始裂纹在三种水平间距下的裂纹扩展、联通、继续扩展过程进行了仿真,得出了应力强度因子幅值ΔK随裂纹深度a扩展的表达式;根据裂纹扩展速率da/dN与ΔK、K_(IC)、ΔK_(th)的关系,预测了三峡升船机齿条的寿命N。研究结果表明:齿条满足疲劳寿命要求,但表面感应淬火降低了齿条的疲劳寿命;硬度分布对于裂纹扩展的促进作用大于残余压应力的抑制作用。     

弹塑性疲劳裂纹扩展行为的数值模拟

基于ABAQUS有限元软件建立内聚单元模型以研究I型弹塑性疲劳裂纹的扩展过程。利用UEL子程序定义内聚单元的疲劳损伤累积准则以识别疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的位置,并预测裂纹扩展速率da/d N。结果发现,预测的裂纹扩展速率与已有的试验结果吻合良好。通过ABAQUS软件中的温度-位移耦合分析方法同步获取裂纹扩展过程中因塑性变形能引起的裂纹尖端瞬态温度场的变化。结果显示,疲劳损伤累积准则所识别的裂纹尖端位置与裂纹扩展时最大温升点的位置具有一致性。这说明疲劳裂纹扩展过程中温度信号的变化也可以用于裂纹扩展规律的研究。基于数值模拟的方法验证了疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的温升信号ΔT与裂纹扩展速率da/d N、应力强度因子范围ΔK之间的幂函数关系。研究成果有望用于疲劳裂纹扩展寿命的快速预测。     

刮刀离心机刮料转臂的疲劳分析

以GKH1800-N虹吸刮刀离心机转臂为研究对象,针对转臂疲劳破坏问题,建立了转臂及其关联结构的有限元模型,对负载状态下的转臂进行了静力分析,获得最大应力分布,确定了转臂的疲劳源.经过修正材料的S-N数据,获得了转臂的S-N数据,并在静力分析的基础上,对转臂进行了疲劳分析,最终获得转臂的疲劳寿命.     

2D平纹编织C/SiC材料疲劳极限的估计

对1990年以来发表在各类文献中的2D平纹编织T300碳纤维C/SiC材料的疲劳性能数据进行了收集和整理。对收集的数据进行了全寿命S-N曲线的拟合,并按S-N曲线的形状参数a将材料分为三类。全寿命S-N曲线中形状参数a反映了材料的韧性,参数a值越大,疲劳载荷下材料韧性越好;尺度参数b反映了材料的裂纹扩展速率,参数b值越小,疲劳损伤对应力越敏感。依据拟合数据给出了2D平纹编织C/SiC的疲劳极限约为静强度的0.7的结论。     

550 kV断路器用密封杆疲劳分析及试验研究

为解决如何对断路器密封杆疲劳寿命进行分析的问题,以550 kV断路器密封杆为研究对象,分别通过应力实验与分合闸实验测得了该密封杆某截面的应变时间曲线及行程时间曲线。首先建立了三维仿真模型,利用这些曲线作为仿真边界条件;然后结合ANSYS与ADAMS联合柔性仿真的能力得到了该密封杆各个位置的受力情况;最后利用Workbench的N_code designlife模块对该密封杆按S-N寿命曲线及ε-N寿命曲线进行了疲劳寿命分析,得到了两种仿真结果。研究了这两种分析方法不同的应用场合,随后完成了该密封杆的实际操作寿命实验。研究结果表明:按S-N寿命曲线对密封杆进行寿命分析,计算寿命能与实际操作寿命保持较好的一致性,为万次寿命实验中其他运动零部件的寿命预测提供了一种方法。