应变疲劳可靠性理论与方法的新进展

介绍概率应变疲劳试验法、评价模型和损伤随机演化机制方面的新进展。突破经典极大似然法在参考试验载荷之外的单试样限制，提出新的广义极大似然疲劳试验法。新发现随机循环应力—应变响应现象并建立其概率模型。新发展概率疲劳应变一寿命模型。概率模型参数由称为广义极大似然法的方法确定，在整体数据层面综合考虑数据分散性规律与样本量对概率评价的影响。考虑随机应力—应变关系反映“随机应变载荷”、随机应变—寿命关系揭示材料的“应变强度”，提出随机应变载荷—强度干涉恒幅可靠性模型，与Keciguliu的递推法结合可进行变幅和应变载荷谱下的可靠性分析，形成了应变疲劳可靠性理论和方法的新体系。进一步根据有效短裂纹准则，揭示疲劳性能随机及演化性的本质原因源于主导有效短裂纹萌生区域及其裂尖区域微观结构扩展条件的差异及演化性；随机疲劳裂纹扩展、应变—寿命和应力—应变关系是3个关联的随机疲劳关系；疲劳损伤是一个由初始混沌状态，到独立无关的随机状态，然后到史相关随机状态的演化过程。     

应变疲劳可靠性分析的现状及展望

未来是应用塑性变形知识解决结构失效问题的时代,应变疲劳可靠性分析是其中重要问题之一,它在90年代才引起注意,文献很少。现有方法假设Coffin-Manson循环应变—寿命（CSL）关系中的疲劳强度和塑性系数为独立随机变量,强度和塑性指数为常数,实际上它们都是拟合试验数据的相关随机变量。因此,只适于缺乏试验数据时的近似分析。试验揭示了材料的循环应力一应变（CSS）响应存在很大分散性。考虑这一分散性和CSL与CSS关系中材料常数的相关性,建立新的方法是未来值得研究的基础课题。建立考虑平均应变/应力影响和多轴方法,使之应用于工程实践是值得进一步研究的重要课题。     

基于应变的疲劳可靠性分析新方法

应用随机循环应变载荷－强度干涉模型，建立了基于应变的疲劳可靠性分析新方法。新考虑了材料循环应力－应变响应的分散性。与现有方法不同，材料常数视为非独立随机变量，来自于试验数据的回归结果。随机循环应力－应变行为和循环应变－寿命关系分别采用概率曲线来描述。循环应变载荷和强度的概率密度函数可显式分别由这些曲线求得。方法可方便拓展到如现有方法确定性循环应力－应变模型情形。核工程材料？１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢管道焊缝金属的试验结果分析说明了方法的有效性。     

循环载荷下热疲劳裂纹的应力强度因子

为揭示循环温度载荷对热疲劳裂纹应力强度因子的影响规律,考虑材料的多线性塑性随动强化性质,用有限元法计算多种循环载荷作用下裂尖点的应力-应变和热疲劳裂纹的应力强度因子。该应力强度因子值由裂尖附近压缩塑性应变的累积量决定。压缩塑性应变对温度载荷的作用次序敏感,因此应力强度因子也受到温度载荷的作用次序的影响。恒温度幅循环条件下,如果不考虑裂纹扩展,热疲劳裂纹的应力强度因子不随循环次数变化。变温度幅循环条件下,低温循环不会影响其后的高温循环应力强度因子;高温循环却影响其后的低温循环应力强度因子,并使得低温循环的应力强度因子与高温循环的应力强度因子相同,因此突发的高温载荷严重威胁高温构件的寿命。热疲劳裂纹扩展试验证明了有限元计算结果的正确性。     

概率循环应力－应变曲线及其估计方法

试验揭示了核工程材料1Cr18Ni9Ti不锈钢管道焊缝金属的循环应力－应变响应存在很大分散性。意味着任何外载,即使恒幅条件,将产生随机应变加载史。为保证设计分析的安全性,引入了称为“概率循环应力－应变曲线”的表征方法。应用线性回归技术和极大似然法原理,给出了概率曲线及其置信限的估计方法。以经过验证的良好假设分布——正态分布模拟循环应力幅的随机性。概率曲线表征为均值和均方差循环应力－应变幅曲线的形式。任意可靠度下的分析可方便地根据正态分布函数完成。材料低周疲劳试验结果分析说明了方法的有效性。     

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。     

基于损伤力学的某飞机构件冲击疲劳寿命预估

某飞机起落系统中某重要构件在飞机往复起落中承受循环冲击载荷作用,需对该构件的冲击疲劳强度进行分析。损伤力学方法对冲击疲劳问题来说是一种新的分析方法。首先分析构件在静载荷作用下的细节应力,判明疲劳危险点,接着分析得到危险点在冲击载荷作用下的应力响应。然后构建冲击型损伤演化方程,并识别其中的材质参数,提出将应力响应视为载荷谱的应力应变场—损伤场解耦处理方式,发展了损伤力学—有限元法,使其可用于预估构件冲击疲劳裂纹萌生寿命。而后应用该方法对构件在冲击疲劳载荷与非冲击疲劳载荷作用下的疲劳裂纹萌生寿命进行预估,得到寿命预估结果,进而比较得到冲击疲劳载荷作用下和非冲击疲劳载荷作用下构件寿命的当量关系,为该构件的等效疲劳试验提供重要参考依据。     

概率循环应力─应变曲线及其估计方法

试验揭示了核工程材料１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢管道焊缝金属的循环应力─应变响应存在很大分散性。意味着任何外载，即使恒幅条件，将产生随机应变加载史。为保证设计分析的安全性，引入了称为“概率循环应力─应变曲线”的表征方法。应用线性回归技术和极大似然法原理，给出了概率曲线及其置信限的估计方法。以经过验证的良好假设分布──正态分布模拟循环应力幅的随机性。概率曲线表征为均值和均方差循环应力─应变幅曲线的形式。任意可靠度下的分析可方便地根据正态分布函数完成。材料低周疲劳试验结果分析说明了方法的有效性。     

16MnR钢在不同应力比下的疲劳裂纹扩展的试验研究及模拟

采用3.8 mm厚带有圆形缺口的CT试样,研究了16MnR钢在不同应力比的恒幅循环载荷作用下的疲劳裂纹扩展。开发了一种基于疲劳损伤的方法来模拟疲劳裂纹扩展速率。将16MnR钢的循环塑性本构模型通过用户材料子程序UMAT嵌入到ABAQUS中。把有限元计算得到的疲劳裂纹尖端附近区域的弹塑性循环应力应变结果,代入到疲劳损伤模型中,得到每个加载循环在裂尖各点产生的疲劳损伤值。通过疲劳损伤准则,导出疲劳裂纹稳定扩展速率的计算公式。疲劳裂纹扩展试验验证了模拟结果。实验结果和模拟结果都表明,该试样厚度下,应力比对裂纹扩展速率几乎没有影响。     

应变能—内应力干涉模型的多轴高周疲劳研究

塑性应变能使材料微观组织结构发生不可逆变化而引起等效宏观应力,该应力随循环加载而增大。假定该应力的一种分布函数,将疲劳极限以上加载等效为塑性应变,建立了塑性应变与加载应力成线性关系的表达式,由此得到循环加载的塑性应变能。导出其最大应力与外加应力叠加达到材料本征断裂应力时的裂纹成核寿命,并由微裂纹引起上述两部分应力变化,得到继续加载直至宏观裂纹出现的疲劳寿命。所建立的多轴疲劳寿命公式由三个材料参数表达,并通过单轴疲劳试验数据确定。初步研究表明,该模型对所引用的多轴疲劳试验数据有很好的预测能力。