基于CCD图像的表面疲劳裂纹检测方法

设计了7075铝合金试样的疲劳裂纹扩展试验,采用表面复型法对疲劳裂纹的扩展进行研究.采集试样表面疲劳裂纹扩展过程的CCD(charge coupled device,电荷耦合器件)图像,分别对微小裂纹图像和长裂纹图像进行预处理,计算了疲劳裂纹的长度和宽度,拟合了疲劳裂纹的长度扩展曲线和宽度扩展曲线,并验证了表面疲劳裂纹图像检测方法的精度,为实现疲劳裂纹的在线监测提供了有效途径.     

钢桥疲劳裂纹几何特征对涡流检测信号影响规律研究

针对常规钢桥面板疲劳裂纹检测手段只能贴合表面进行检测的问题,引入涡流检测方法,实现对钢桥面板表面疲劳裂纹的检测。搭建了涡流检测实验平台,设计研发了涡流检测探头,对不同尺寸疲劳裂纹进行横向扫查,研究了不同长度、宽度和深度特征的疲劳裂纹对检测信号的影响规律。并建立有限元仿真模型,模拟疲劳裂纹扫查过程,验证了钢桥面板疲劳裂纹涡流检测方法的可靠性,为后续疲劳裂纹尺寸精准测量提供依据。实验结果显示：设计的空心圆柱形检测探头能够实现最小尺寸为长度60 mm、宽度0.2 mm、深度5 mm的表面裂纹缺陷的定位检测;检测信号的幅度变化值与裂纹长度、宽度、深度在一定范围内均成正相关,裂纹长度和深度对检测信号影响较大,裂纹宽度对检测信号影响较小。     

单,双轴载荷作用下表面斜裂纹的疲劳扩展特性

任意取向的表面裂纹的疲劳扩展问题是迫切需要进行研究的。本文对单轴和双轴载荷作用下表面斜裂纹的疲劳扩展问题进行了研究。通过有限元分析设计了含表面裂纹的双轴十字形试板的合理形状,并标定了其应力强度因子。疲劳试验发现了表面斜裂纹疲劳扩展的不均衡性质,并据此提出了描述表面斜裂纹扩展的分段模型。单轴和双轴试验所得到的扩展速率的比较表明两者的差别不大。根据所得试验结果,文中对现行缺陷评定规范中的某些问题进行了讨论。     

影响弹簧疲劳寿命的表面缺陷

汽车发动机气门弹簧的表面裂纹是一项关键性因素，它同有害的非金属夹杂物及表面脱碳一起影响到气门弹簧的疲劳寿命。通过对高应力弹簧及经氮化处理的弹簧做人工纵向裂纹后进行疲劳试验，以解读表面裂纹对疲劳寿命的影响。通常认为：所有弹簧的疲劳寿命随裂纹深度增加而减少，在这项试验中，进一步证实了当裂纹深度小于0.05mm时，疲劳寿命不会下降。因此我们认为处于表层大量的残余应力有效地遏制了疲劳开裂的扩展。     

表面裂纹贯穿板厚后的疲劳扩展行为

本文研究了双轴载荷状态下平直表面裂纹和斜表面裂纹贯穿板厚后的疲劳扩展行为。文中给出了所设计的双轴试板当裂纹贯穿板厚后的应力强度因子标定式,据此所得的裂纹贯穿后的疲劳扩展速率与贯穿前有良好的线性性,可以用统一的公式描述,与单轴载荷下的疲劳裂纹扩展速率相比较,表明单轴和双轴载荷下的扩展速率无明显差别。     

滚动轴承接触疲劳裂纹建模与扩展规律研究

针对滚动轴承的疲劳剥落损伤演化问题,采用扩展有限元方法研究疲劳裂纹扩展机理,通过算例验证了扩展有限元方法的可靠性。运用断裂力学理论建立了包含次表面初始裂纹的滚动接触疲劳扩展有限元模型,分析了初始裂纹倾斜角度、所处深度和初始裂纹长度对次表面裂纹生长到表面的扩展路径影响机制,通过分析应力强度因子变化研究了裂纹扩展机理。研究结果表明,次表面疲劳裂纹以滑开型裂纹扩展模式为主;初始裂纹角度对疲劳裂纹扩展路径影响较大,初始裂纹角度在15°～45°时裂纹会转向表面发展而形成疲劳剥落;初始裂纹尺寸和深度对裂纹扩展路径形貌的影响较小,但会影响裂纹扩展的难易程度。     

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。     

耐热钢CrMoCoV表面裂纹疲劳扩展试验及考虑闭合效应的数值分析研究

表面裂纹是高温结构服役过程中的常见缺陷形式,研究其在疲劳载荷下的扩展行为和规律是结构完整性评价的重要内容。开展了耐热钢CrMoCoV(FB2钢)含表面裂纹试样的疲劳试验,基于Zencrack软件,并考虑闭合效应修正进行了表面裂纹疲劳扩展的数值分析。结果表明,考虑裂纹闭合效应的模型,可以用于表面裂纹疲劳扩展行为的预测。     

高锰钢铁路辙叉表面龟裂剥落机理分析

高锰钢铁路辙叉在使用过程中因心轨表面龟裂剥落而提前失效,对其进行了扫描电镜观察和能谱仪测试分析。结果表明:断口中的夹杂物为Al2O3或[Al2O3].(CaO)x等;在表面裂纹的断口微观组织中有大量的致密疲劳辉纹和泥状腐蚀形貌,次表面裂纹断口也有疲劳辉纹,表明辙叉表面的剥落掉块为表面的腐蚀疲劳和次表面的接触疲劳所致。疲劳裂纹往往从氧化铝、氧化钙等颗粒状夹杂物或组织不均匀处萌生,表面裂纹与切应力成锐角向表层下扩展,次表面裂纹斜向表面扩展,当表面裂纹与次表面裂纹相互连接时,被裂纹包围的金属块即产生剥落,形成剥落坑。     

钝缺口试样疲劳短裂纹形成与扩展

对两种晶粒尺寸的中碳钢钝缺口试样进行了对称拉疲劳试验，应用复型方法观察了疲劳理解纹沿缺口根部的早期形成与扩展过程；测量了表面裂纹形状随裂纹长度的变化规律。结果表明，试样的破坏是由形成于缺口根部表面的短裂纹扩展、裂纹间连接形成穿透裂纹，穿透裂纹扩则引起的。     

压弯组合应力下高强钢焊接板表面裂纹疲劳寿命计算

潜艇上浮下潜运动使得其耐压壳承受交变的外压载荷。潜艇耐压壳的疲劳热点为锥一柱过渡结构连接焊缝焊趾处，该处所受的应力特征为压弯组合应力。压弯组合应力下表面裂纹应力强度因子及其疲劳寿命的计算尚无报道。弄清楚压弯组合应力作用下带表面裂纹焊接板试件的疲劳特性对潜艇等结构的疲劳研究是必要的。文中提出用成一定角度的对接焊板试件和轴向加载获得压弯组合应力来模拟潜艇耐压壳锥一柱焊接结合区的应力特征的实验方法。用980高强钢作试件，研究焊趾处预制表面裂缝，并在压弯组合应力为特征的疲劳载荷作用下表面裂纹的疲劳行为。给出高强钢焊趾表面裂纹在压弯组合应力下应力强度因子及其疲劳寿命计算式。该结果可供海洋平台、压力容器及管道的某些受力特征为压弯组合应力的重要结构的疲劳设计时参考。     

金属材料表面裂纹疲劳扩展形状演变规律

基于裂纹扩展过程中的能量释放率理论提出一种表面裂纹疲劳扩展形状的计算方法,研究了在拉伸和弯曲疲劳载荷作用下金属板材中表面裂纹扩展形状演变规律,并进行了试验验证。结果表明:计算得到在拉伸载荷作用下的裂纹扩展初始阶段,表面裂纹呈半圆形,随着裂纹深度的增加,表面裂纹形状逐渐变为扁长型半椭圆形;在弯曲载荷作用下的裂纹扩展初始阶段,表面裂纹呈半圆形,随着裂纹深度的增加,表面裂纹形状逐渐变为细长型半椭圆形;试验得到表面裂纹在疲劳扩展过程中的形状逐渐靠近计算得到的形状;在表面裂纹长度相等的条件下,试验与计算得到的裂纹深度的相对误差小于4.5%,说明采用基于能量释放率理论的表面裂纹扩展形状计算方法来预测表面裂纹疲劳扩展的形状演变是可行的。     

三维应力状态下高温低周疲劳表面短裂纹实验研究及数值模拟

依据16MnR材料三维应力状态下高温低周疲劳表面短裂纹的实验分析结果，提出了一种表面随机分布短裂纹群体演化行为模型。模型考虑了材料细观组织、细观结构影响及裂纹之间的相互作用，并用该模型对16MnR材料表面疲劳短裂纹群体演化全过程进行了数值模拟分析，结果表明模拟结果与实验结果基本一致，该模型能有效地用于短裂纹的模拟。最后提出微观短裂纹萌生驱动力与扩展驱动力概念。     

基于CCD图像的表面疲劳裂纹识别与长度计算

表面疲劳裂纹的图像识别是实现对疲劳裂纹实时监测的一种有效方法,采集表面疲劳裂纹的电荷耦荷器件CCD（charge coupled device）图像,利用Matlab图像处理工具进行图像预处理,对裂纹图像二值化并取反,提取出裂纹区域;对二值图像进行膨胀和腐蚀操作,以此来处理裂纹区域偏大、不连通或有孔洞等问题;通过细化提取出裂纹骨架,再对裂纹骨架去除分支得到裂纹主干并计算出主干长度;还探讨了一种检测表面疲劳裂纹扩展速率的方法。该研究为疲劳裂纹的自动监测提供了新途径,为工件疲劳寿命的预算奠定了基础。     

焊趾位置表面裂纹疲劳扩展形状计算

针对结构中出现的表面裂纹诱发断裂现象,利用断裂力学理论中裂纹尖端应力强度因子与裂纹扩展能量释放率的关系,依据裂纹扩展时裂纹前沿各点的有效能量释放率相等,在考虑裂纹闭合效应的基础上提出一种表面裂纹扩展形状演化计算方法。采用提出的方法计算了T型焊接结构焊趾位置表面裂纹在拉伸疲劳载荷作用下的表面裂纹形状参数函数关系,模拟出表面裂纹疲劳扩展时的形状演化过程。进行了T型焊接试件的表面裂纹扩展有限元模拟和试验,结果与理论计算结果基本一致,验证了基于能量释放率的结构表面裂纹疲劳扩展形状演化计算方法的有效性。     

16Mn钢短裂纹疲劳扩展性能的试验研究

通过对带有表面盲孔的16Mn钢圆棒试样的疲劳试验,获得了试样盲孔边缘疲劳短裂纹的扩展规律。文中给出了有关试验结果,藉此建立了短裂纹表面长度与疲劳循环数间的关系以及裂纹扩展速率与疲劳载荷和裂纹尺寸之间的定理描述式。本文结果有助于加深对16Mn钢试样疲劳损伤过程的认识。     

基于BF-Net与孪生分差的飞机结构裂纹检测方法

针对目前飞机结构疲劳试验损伤检测中计算机视觉识别模型面临的主要问题是如何从同为毫米级的表面纹理、划痕、污迹中识别出疲劳裂纹，提出了基于双向融合网络（bidirectional fusion network，简称BF-Net）和孪生分差的飞机结构裂纹检测方法。首先，采用分级检测策略，提取出可能出现裂纹的重点区域；其次，设计面向微小目标识别的BF-Net，通过自上而下和自下而上的特征融合操作从区域图像中自动获取高质量的裂纹特征信息；最后，采用孪生分差法，基于重点区域的自身特征信息以及与模板间的特征差异信息来综合判别裂纹。试验结果表明，该方法能够实现对微小裂纹的精确检测，为飞机结构疲劳试验中裂纹的自动化检测提供了有效的技术途径。     

滚压强化对高强螺栓用35CrMoV钢疲劳性能的影响

表面滚压工艺的优化选择及控制对于高强螺栓疲劳性能的提高和稳定十分重要。本文从螺栓生产的角度出发研究了该工艺对35 CrMoV 高强钢疲劳性能的影响机理,并设计了一种能准确施加滚压力的试样滚压机构。实验结果表明,随着滚压力的增加,由于表面强化因素与表面损伤裂纹的综合作用,疲劳性能存在一个最佳状态。根据断裂力学可以认为表面裂纹是降低试样或零件疲劳强度的主要因素。     

超硬涂层材料滚动接触疲劳试验机的研制

在总结分析目前国内外表面超硬涂层零件接触疲劳失效行为评估技术的基础上，依据超硬涂层零件接触疲劳失效机制模型，自主研制了一种超硬涂层材料滚动接触疲劳试验机。介绍了该试验机的设计原理和特殊功能，采用该试验机对51306纳米超硬材料涂层轴承滚动接触疲劳失效行为进行了试验评定。试验证明所研制的超硬涂层材料滚动接触疲劳试验机智能检测控制系统能够动态探测诊断涂层轴承表面初始疲劳裂纹并实现急停，可捕捉试验轴承表面疲劳初始状态，为超硬涂层零件接触疲劳失效机制分析提供可靠的试验依据。     

球形容器接管外拐角表面裂纹疲劳扩展计算机模拟技术

文通过实物容器实验对接管外拐角表面裂纹疲劳扩展形状作了分析，并用数值方法对该裂纹作了模拟跟踪，将实验和计算所得外拐角表面裂纹同无限大平板半椭圆、接管内拐角表面裂纹作了比较，并指出了接管外拐角表面裂纹的扩展不仅趋于曲线形状，而且裂纹扩展呈现凸出现象；并指出，常规的假定无限大平板上裂纹形状运用到接管外拐角所产生误差的缘由。