基于宏—细观模型的疲劳裂纹萌生数值模拟

为了研究材料微观特性对结构疲劳寿命的影响,提高结构疲劳寿命预估精度,根据Tanaka-Mura单一微裂纹及裂尖微裂纹萌生寿命预测模型,模拟疲劳载荷下某马氏体钢孔边疲劳裂纹萌生寿命。利用泰森多边形生成法,生成代表多晶结构的二维特征单元。考虑晶粒内相互垂直的多滑移特性以及已起裂裂纹对相邻晶粒裂纹萌生的影响,建立微裂纹起裂与扩展的改进模型。中心孔平板试件疲劳寿命的数值模拟结果与试验值吻合良好,说明给出的改进宏细观疲劳寿命预测模型的有效性。     

含缺陷结构疲劳性能分析方法研究

基于理论计算和有限元方法,研究了铸造缺陷对结构疲劳性能关键因素的影响,给出了铸造缺陷关键特征参数对结构疲劳性能的影响关系曲线,进而讨论了含缺陷结构的疲劳裂纹萌生和裂纹扩展特性。基于经典Paris的裂纹扩展模型,通过引入当量裂纹长度,反推得到了基于缺陷面积疲劳寿命预测方法,为含缺陷结构的疲劳性能分析和疲劳寿命预测提供思路。     

金属材料疲劳短裂纹萌生与扩展研究综述

系统梳理了金属材料疲劳短裂纹的定义、分类、试验方法、萌生机理及典型扩展率模型，对当前短裂纹行为研究面临的问题进行了总结与展望。研究结果表明，在萌生机理方面，材料自身的微观结构对短裂纹萌生及扩展有重要影响，短裂纹扩展至晶界处，受晶粒取向及晶界阻力影响，扩展率会下降，裂尖突破晶界束缚后，短裂纹扩展路径出现局部偏折。在扩展行为描述方面，短裂纹的扩展驱动力与承受的载荷水平、残余应力、表面处理方式、局部磨损状况等有关。扩展过程中，裂纹尖端材料在小范围内屈服而产生局部塑性区。同时，塑性尾迹区也逐渐形成，进而产生塑性诱导闭合，导致裂纹扩展门槛值降低。此外，晶体位错之间的相互作用和位错塞积会阻碍位错发展。机器学习算法作为一种先进技术手段，已在短裂纹扩展行为表征中得到应用，对提升预测精度有促进作用。随着金属材料短裂纹行为研究的进一步深入，未来可重点关注短裂纹萌生与扩展实时监测、试验影响因素控制、数据离散性分析、扩展率模型的工程应用等问题，探索建立适用于工程结构与零部件的在役长、短裂纹扩展率统一表征模型和实时监测与安全评估技术，结合先进的机器学习算法，实现对工程关键金属结构更有效、更准确的安全性评定和剩余...     

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。     

球墨铸铁疲劳裂纹扩展的微观机制

研究了在恒幅拉伸循环载荷作用下球铁的疲劳裂纹扩展的微观机制，分析了石墨形态对铸铁疲劳裂纹萌生及扩展行为的影响。结果表明：铸铁的石墨形态对疲劳裂纹的萌生及扩展有很大影响。灰铁由于在共晶团内石墨片相互连接，疲劳裂纹总是沿着与外应力相垂直的石墨片／基体边界扩展。球铁的疲劳裂纹扩展受基体组织及石墨形态所左右，但在石墨球／基体界面产生的滑移带、塑性区及裂纹尖端钝化区决定着疲劳裂纹萌生及扩展的整个过程。球铁的疲劳裂纹扩展规律是：裂纹连续扩展—急速扩展—裂纹尖端钝化—重新诱发裂纹—连续扩展。     

风电齿轮箱轴承内部疲劳裂纹萌生与扩展方向研究

针对风电齿轮箱轴承疲劳裂纹萌生方向的问题,通过理论研究,认为裂纹萌生的方向取决于萌生局部位置最大切应力幅所在平面方向。经计算发现,轴承滚道内部浅层位置正交切应力幅大于主切应力幅,较深位置主切应力幅大于正交切应力幅;裂纹萌生角度随萌生深度不同而变化。针对裂纹扩展问题,利用断裂力学裂纹尖端极坐标应力叠加的方法,明确了Hertz接触应力、残余应力、装配过盈压力等对裂纹扩展方向的影响,通过分析不同热处理金相组织的轴承失效案例,验证了理论的适用性。     

空压机叶轮破裂原因分析

针对某石化公司离心压缩机叶轮多次发生开裂、掉块等故障以及裂纹形成机理进行了分析。分析结果表明了叶轮开裂原因系疲劳开裂,叶轮焊接缺陷产生了焊接弧坑,造成表面应力集中,气流激振加速了裂纹扩展。     

纯铜和黄铜表面裂纹疲劳扩展特性的实验研究

本文采用表面裂纹的试样来显示滚压试样的表面强化层的疲劳裂纹萌生与扩展抗力,对纯铜及黄铜表面裂纹扩展特性进行了初步研究。结果表明：黄铜强化效果优于纯铜,其裂纹扩展是一种再生核扩展机制。     

国产P92钢的蠕变裂纹扩展行为研究

对国产P92钢开展了600℃蠕变试验，得到了蠕变变形曲线、蠕变指数和蠕变延性等，再在600℃进行蠕变裂纹扩展行为试验研究，得到了蠕变裂纹萌生时间和蠕变裂纹扩展速率与蠕变断裂力学参量C^*的关系，将国产P92钢的性能与BS 7910数据进行比较，评估NSW模型的预测效果，计算得到材料的蠕变断裂韧性。结果表明，蠕变裂纹萌生时间和蠕变裂纹扩展速率与蠕变断裂力学参量C^*之间有较好的双对数线性相关性。国产P92钢的蠕变裂纹扩展性能优于BS 7910中9%Cr钢的平均性能，NSW模型的平面应力预测结果与试验数据接近，材料的蠕变断裂韧性随着服役时间的增大逐渐降低。该研究结果可以用于评估长期服役高温结构的安全性。     

表面形变强化层中裂纹的萌生与扩展

研究了缺口根部强化层中疲劳裂纹的萌生与扩展。结果表明疫劳性能的提高主要归因于喷丸引起的缺口根部残余压应力,其能提高裂纹的闭合力,延缓短裂纹的扩展速率,而对萌生的作用极微。工作应力低时可出现非扩展裂纹。在残余压应力场中长裂纹的扩展可用Newman改进模型进行计算。在残余压应力峰值位置出现最大闭合力和最小裂纹扩展速率,计算和实测值基本一致。     

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。     

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。     

[表面强化及损伤机理]硌伤形貌对车轮材料滚动接触疲劳特性的影响

采用重力摆锤在车轮试样表面冲击出不同形貌的硌伤坑,基于改进后的MMS-2A 型微机控制摩擦磨损试验平台,研究了未硌伤车轮以及两种硌伤形貌车轮的滚动接触疲劳特性。结合ABAQUS仿真分析的车轮硌伤后残余应力分布情况,探讨了硌伤坑附近裂纹的萌生及扩展机制。结果表明：与未硌伤车轮相比,车轮硌伤处次表层材料沿踏面垂直方向上出现的残余拉应力有助于促进裂纹的萌生和扩展。相同冲击能下,球形硌伤坑附近裂纹长度和角度均大于道砟形硌伤坑附近裂纹长度和角度。球形硌伤坑边缘次表层裂纹的裂纹面较宽,并沿着45°的扩展角度向内部扩展。     

基于灵敏度分析的车架轻量化及疲劳寿命估算

针对汽车车架轻量化设计要求,建立了车架刚度灵敏度、模态频率灵敏度以及静/动态结构响应的综合权重灵敏度分析模型,对车架进行了全寿命、裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命的分析,所作分析与车架的拓扑优化设计及性能分析一起形成了完整的车架数字化设计性能分析体系。     

LD10CS腐蚀疲劳裂纹扩展速率评价的可靠性模型

腐蚀损伤会加速疲劳载荷下的飞机铝合金结构裂纹的萌生和扩展,威胁结构安全性。针对腐蚀影响下的疲劳裂纹扩展的随机性本质,对预腐蚀LD10CS合金的预腐蚀疲劳试验进行了数据分析,提出了基于可靠性的腐蚀裂纹扩展速率表征方法,与试验结果对比表明,该方法可以给出LD10CS腐蚀疲劳裂纹扩展速率的上下限,进而给出该种材料铝合金构件的疲劳裂纹扩展寿命的上下限,为评估铝合金构件的寿命提供了依据。     

腐蚀对新型高强度铝合金疲劳裂纹萌生机制及扩展行为的作用

根据编制的某机场环境加速试验谱,通过腐蚀试验模拟飞机服役过程中遭受的潮湿空气、盐雾、二氧化硫、酸雨和干/湿交变等严酷条件的侵蚀作用,采用飞机主承力结构新型高强度铝合金7B04-T74,制备单边缺口拉伸(Single edge notch tension, SENT)试样进行预腐蚀和疲劳试验,分析不同程度腐蚀损伤对疲劳裂纹萌生、裂纹扩展行为和疲劳寿命的影响,揭示腐蚀对裂纹萌生及扩展行为的作用机理。结果表明,在腐蚀初期,疲劳裂纹萌生源主要为单个蚀孔,裂纹扩展路径较为平直;随着腐蚀程度的加重,在多个蚀孔处同时萌生多条小疲劳裂纹,萌生疲劳裂纹的蚀孔具有隧道效应,扩展路径不规则,形成“之”字形裂纹;疲劳裂纹萌生机制是材料第二相与腐蚀损伤之间相互竞争的结果;腐蚀导致疲劳寿命显著降低,尤其是裂纹萌生寿命,腐蚀12年试验件裂纹萌生寿命仅为未腐蚀试验件裂纹萌生寿命的2.2%。     

硌伤形貌对车轮材料滚动接触疲劳特性的影响

采用重力摆锤在车轮试样表面冲击出不同形貌的硌伤坑,基于改进后的MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验平台,研究了未硌伤车轮以及两种硌伤形貌车轮的滚动接触疲劳特性。结合ABAQUS仿真分析的车轮硌伤后残余应力分布情况,探讨了硌伤坑附近裂纹的萌生及扩展机制。结果表明:与未硌伤车轮相比,车轮硌伤处次表层材料沿踏面垂直方向上出现的残余拉应力有助于促进裂纹的萌生和扩展。相同冲击能下,球形硌伤坑附近裂纹长度和角度均大于道砟形硌伤坑附近裂纹长度和角度。球形硌伤坑边缘次表层裂纹的裂纹面较宽,并沿着45°的扩展角度向内部扩展。     

基于子模型与网格随移技术的叶轮三维裂纹应力强度因子分析

基于断裂力学理论和有限元数值分析方法,针对压气机叶轮由于铸造缺陷和疲劳引起的三维裂纹,应用子模型技术和ParaMesh网格随移技术,给出了压气机叶轮轴孔三维裂纹前沿应力强度因子的求解方法及途径,并对压气机叶轮轴孔三维裂纹的扩展方向和扩展速率进行了分析.压气机叶轮轴孔三维裂纹应力强度因子求解结果表明,叶轮轴孔三维裂纹前沿...     

2205双相不锈钢氢致开裂行为的试验分析与模型预测

开展了2205双相不锈钢(Duplex stainless steel,DSS)氢致开裂(Hydrogen assisted cracking,HAC)行为的研究,考察了组织形态对2205双相不锈钢中氢致裂纹萌生和扩展的影响.结果表明,横向组织中的氢致裂纹扩展的长度比纵向组织中的裂纹更明显,裂纹优先萌生的位置在铁素体相...     

TP347H钢疲劳裂纹生长规律及显微组织影响研究

对TP347H钢标准试件进行常温疲劳试验,在金相显微镜下观察分析疲劳裂纹的萌生及扩展规律,并研究显微组织对疲劳裂纹生长过程的影响。研究发现:疲劳裂纹萌生于微观组织结构不连续区域,如晶界、孔洞、夹杂等,开始时沿与载荷轴呈45°方向扩展,之后扩展方向逐渐垂直于主应力方向;相邻裂纹间会发生合体行为,且由于裂纹间干涉作用导致部分裂纹扩展缓慢,甚至不扩展;当疲劳裂纹进行穿晶扩展时,裂纹会在晶界处发生偏折后进入相邻晶粒。