金属材料疲劳损伤的定量研究

通过对45号钢材料在三种不同应力水平下纯弯疲劳试样的拉伸测试,研究了能量耗散随疲劳损伤的变化规律,发现能量耗散这一参量随损伤表现较为敏感,为此,本文提出一种新的损伤参量,且该参量能简单、有效地进行损伤完全分析,预计有工程应用价值。     

基于迟滞耗散能的纤维增强陶瓷基复合材料疲劳寿命预测方法

纤维增强陶瓷基复合材料(CMCs)在疲劳载荷作用下,纤维相对基体在界面脱粘区往复滑移导致其出现疲劳迟滞现象,迟滞回线包围的面积,即迟滞耗散能,可用于监测纤维增强CMCs疲劳损伤演化过程。提出了一种基于迟滞耗散能的纤维增强CMCs疲劳寿命预测方法及考虑纤维失效的迟滞回线模型,建立了迟滞耗散能、基于迟滞耗散能的损伤参数、应力-应变迟滞回线与疲劳损伤机制(多基体开裂、纤维/基体界面脱粘、界面磨损与纤维失效)之间的关系。分析了疲劳峰值应力、疲劳应力比与纤维体积分数对纤维增强CMCs疲劳寿命S-N曲线、迟滞耗散能和基于迟滞耗散能的损伤参数随循环次数变化的影响。疲劳寿命随疲劳峰值应力增加而减小,随纤维体积含量增加而增加;迟滞耗散能随疲劳峰值应力增加而增加,随应力比和纤维体积分数增加而减小;基于迟滞耗散能的损伤参数随纤维体积分数增加而减小。      

镍基单晶合金多轴非比例加载低周疲劳单胞模型

在680和850℃下对DD3镍基单晶合金进行多轴非比例加载低周疲劳试验,结果表明等效应变范围△ε_e、试验温度、等效应力范围△σ_e对单晶合金的低周疲劳寿命有显著影响。基于能量耗散理论,引入参量k表征多轴非比例加载对疲劳寿命的影响,构造循环塑性应变能作为损伤参量,建立镍基单晶合金低周疲劳寿命预测模型。参量k与循环寿命之...     

复合材料层板疲劳损伤的有效能耗分析法

通过对纤维增强复合材料层板疲劳过程中能量耗散的不可逆过程的分析,并考虑不同加载次序,建立了一种以有效能耗为基础的非线性疲劳损伤累积法则.并从理论和实验证明了该法则能正确的反映载荷次序效应等疲劳累积损伤规律.     

基于损伤理论的沥青混合料抗疲劳性能试验

为系统研究沥青混合料在疲劳破坏过程中的路用性能衰减过程,在不同温度、应变、频率下开展了四点弯曲疲劳试验,基于损伤理论从劲度模量变化情况和耗散能变化情况两方面评价了沥青混合料抗疲劳性能,并通过损伤面积法、灰关联分析法讨论了试验因素对沥青混合料抗疲劳性能的影响程度。研究结果表明：沥青混合料的抗疲劳性能可以采用基于耗散能的损伤因子随加载次数的变化的双对数曲线进行描述,疲劳寿命应由初始损伤和损伤累积速率共同决定;从劲度模量方面分析,沥青混合料疲劳寿命随温度的升高而增大、随应变的增大而减小、随频率的增大而减小;劲度模量和耗散能两方面的分析结果均表明温度对疲劳寿命的影响程度大于应变,劲度模量分析显示频率对疲劳寿命影响最次,耗散能分析结果显示频率与疲劳寿命的相关性不显著。     

高周疲劳和低周疲劳统一的能量表征方法研究

对高周疲劳和低周疲劳寿命预测模型进行了研究,提出了一种能够将高周疲劳和低周疲劳统一表征的能量形式参量.用统一的能量形式表征参量对高温合金GH141的760℃高周疲劳和低周疲劳数据进行处理,得到理想的能量-寿命方程.用1Cr11Ni2W2MoV钢500℃和粉末盘材料FGH95的600℃高温低周疲劳和高周疲劳数据对统一表征方法进行验证,验证结果表明,用能量形式的表征参量能够得到理想的能量-寿命方程.     

老化沥青混合料粘弹性疲劳损伤模型研究

为了较真实反映沥青路面服务期的疲劳损伤特性,从粘弹性材料的基本特性出发,通过本构方程和耗散能的定义构造了耗散能的泛函,定义耗散能为损伤变量,建立基于Burgers模型的老化沥青混合料粘弹性疲劳损伤模型,通过直接拉伸试验确定沥青混合料的粘弹性参数,求出损伤函数、损伤演化方程,提出一种考虑疲劳过程中老化程度对疲劳损伤影响的累积疲劳损伤计算理论与方法,为沥青混合料在不同老化程度下的疲劳寿命预估提供了依据。根据疲劳损伤模型推导出沥青混合料临界损伤度、疲劳寿命计算公式,并对其进行计算比较,精度满足要求,从而验证了粘弹性疲劳损伤模型的合理性。     

随机载荷下疲劳寿命预估计算方法研究

分析了一种用于随机载荷下零构件疲劳寿命预估的有效计算方法。引入材料所吸收的弹性应变能和塑性应变能等参量，在等能量损伤法则下推算出稳态条件下随机载荷的等价常幅应力，适用于结构设计阶段和改进阶段或应力响应时间历程无法实测的情况。     

金属磁记忆检测技术定量评估构件疲劳损伤研究

对18CrNi4A钢缺口试件在三级应力水平下进行疲劳试验和磁记忆信号检测,研究金属磁记忆信号在疲劳过程中的变化规律和磁记忆检测技术对构件疲劳损伤的定量估评.结果表明:在稳定循环阶段,磁信号随疲劳循环周次增加无显著改变,疲劳裂纹萌生后,磁信号逐渐增加,并在断裂后发生激变;磁信号特征参量Kmax,Hp(y)max,Hp(y)min和Hp(y)sub值与应力水平和疲劳损伤程度存在强烈的相关性,特征参量绝对值随应力水平或疲劳损伤程度的增加而逐渐增加;磁信号特征参量Kmax平均值法可较准确地定量评估构件疲劳损伤,该方法判据为:当m(m=Kmax/KAVmax)＞1,试件存在严重的疲劳损伤.     

考虑平均应变的低周疲劳寿命本征损伤耗散预测方法

金属构件疲劳破坏是工业中常见的破坏形式。为了提高构件疲劳寿命的预测精度，针对低周疲劳载荷下平均应变对疲劳寿命的影响，基于连续介质损伤力学及其不可逆热力学框架，并引入Ramberg-Osgood循环本构模型，以等本征损伤耗散功作为等寿命条件，建立了一种考虑平均应变的低周疲劳寿命预测模型。为对比验证新建模型的有效性和先进性，采用新建模型、修正的Ohji模型、Sandor模型和Wei-Wong模型分别对叠加平均应变的45钢和2124-T851铝合金的低周疲劳寿命进行了预测，并与对应的试验结果进行对比。结果表明：新建模型的预测结果与试验结果吻合较好，其预测效果优于现有模型。基于本征损伤耗散理论的疲劳寿命预测方法为金属材料疲劳寿命的预测提供了新思路。     

一种考虑应力梯度效应的剪切疲劳损伤参量

该文研究了剪应力梯度对疲劳寿命的影响。首先,基于缺口件疲劳寿命研究中常用的应力场强法,针对纯扭载荷作用的圆管试件,推导出一种新的剪切疲劳损伤参量。该参量依据疲劳破坏区内各点的相对剪应力梯度,得到区域内的加权平均应力,从而全面描述材料在剪应力作用下的疲劳损伤水平。然后,使用30CrMnSiA合金钢进行了拉压、扭转疲劳试验。通过对比分析试验结果可以证明:当危险点应力水平相同时,剪应力梯度的存在可以使材料疲劳寿命增加;而该文提出的剪切损伤参量可以很好地描述这种影响。     

基于模态频率的缺口梁疲劳裂纹扩展寿命预测

从试验出发,研究了含V型缺口悬臂梁在循环载荷作用下的疲劳裂纹扩展特性及其模态频率变化规律,分析了模态频率与裂纹扩展增量间的关联性。将裂纹扩展增量作为损伤参量,建立了基于模态频率下降率与损伤参量的关系。基于损伤力学,建立了裂纹损伤与循环加载次数的演化模型。结合模态频率下降率与裂纹损伤参量的关系,提出了一种基于模态频率下降率的缺口梁疲劳裂纹扩展寿命预测方法,实现了基于当前裂纹损伤和对应循环次数的疲劳裂纹扩展剩余寿命预测。结果表明,模态频率下降率对缺口梁的疲劳裂纹扩展寿命敏感,该方法预测的疲劳裂纹扩展寿命与实测的疲劳裂纹扩展寿命基本吻合。     

高三轴应力条件下粒子填充粘弹性材料的能量耗散

研究了微粒填充粘弹性材料在变形过程中的能量耗散。在高三轴度应力条件下,由于同时考虑了界面脱粘引起的损伤,故能量耗散主要可分为两部分1)由基体材料的粘性性质所引起的粘性耗散功;2)由界面全脱粘所引发的界面粘结能的耗散。结合微损伤演化的规律,在忽略惯性效应的前提下,导出了损伤耗散功的一般表达式。利用Mori-Tanaka平均应力场的概念,提出了一种方便地计算材料中的粘性耗散功的近似方法。在此基础上,计算了材料中的粘性耗散功和损伤耗散功,并讨论了加载速率、界面粘结能、基体材料的松弛时间、平均粒径和粒径分散度等对这两种耗散机制的影响。     

基于有限元法和锁相热像法对含缺陷构件的应力分析与疲劳性能评估

基于有限元法研究含盲孔缺陷构件的应力集中系数Kt随盲孔深度h和盲孔直径的变化规律。利用锁相热像法的热弹性分析模式(E-Mode)研究盲孔附近的应力分布,预测不同深度盲孔的Kt,与有限元结果相比较发现吻合良好。通过Altair Li软件中的耗散模式(D-Mode)和Altair软件分别研究构件在疲劳过程中的固有耗散量和温度信号的变化规律,以评估疲劳损伤的演化过程。以固有耗散和温度信号的变化规律作为疲劳损伤的指标,快速预测带盲孔试件的疲劳极限,进而预测试件的疲劳缺口系数Kf。理论计算的结果证明了锁相热像法的有效性。     

基于结构整体损伤指标的钢框架地震易损性研究

以9层梁柱焊接钢框架为例,选取20条满足场地条件的地震波,对结构进行动力增量时程分析(IDA),对比分别以层间位移角和能量耗散作为结构整体损伤指标评判的结构损伤程度,发现仅以层间位移角作为结构整体损伤指标会高估结构抗倒塌能力,而仅以能量耗散作为结构整体损伤指标则无法判别结构失效模式。为避免单一结构整体损伤指标的缺点,能够同时考虑整体结构的首超破坏与累积损伤,提出了一个基于层间位移角和能量耗散的双参数线性组合的结构整体损伤模型,定义结构4种极限破坏状态,对比层间位移角、能量耗散与建立的结构整体损伤模型的结构损伤曲线与易损性曲线。结果显示,基于层间位移角和能量耗散的双参数线性组合的结构整体损伤模型能够更加合理的描述结构的损伤程度。     

基于韧性的混凝土轴压疲劳损伤演化研究

分析了混凝土压缩疲劳寿命的主要影响因素,认为静载下的韧度可以衡量其疲劳寿命;确定了适合的韧度表示方法,建立了混凝土材料静力韧度指标和疲劳韧性之间的关系表达式,从而以静力韧度的测量来代替疲劳韧性,可以大大减少工作量。建立了材料疲劳韧性随疲劳次数耗散模型的数学表达式。在试验基础上,以疲劳韧性消耗作为损伤变量,推导出以静载韧度表达的混凝土疲劳损伤演化方程,发现损伤发展率呈三阶段规律。经对比验证,在不同应力水平下,以静载韧度表示的损伤演化规律与用疲劳韧性表达的损伤规律吻合较好。     

基于塑性应变能的多轴低周疲劳寿命预测模型

在分析多轴疲劳损伤机理的基础上,提出一个新的多轴低周疲劳寿命预测模型。此模型以临界平面上的塑性应变能作为疲劳损伤参量,分析了临界平面的特点并给出了损伤参量的计算过程。利用该模型预测了不同加载路径下的304不锈钢试件的疲劳寿命,并与试验值进行比较。结果表明,该损伤参量具有明确的物理意义,能够适用于多轴比例与非比例等各种复杂的加载情况。     

基于小波包能量谱的声发射信号处理技术

为实现材料早期结构疲劳损伤程度的监测与评价,提出采用小波包能量谱的声发射信号处理方法.首先,搭建金属疲劳损伤在线声发射监测系统,采集金属材料早期结构疲劳损伤产生的裂纹扩展与闭合的声发射信号;其次,选取适用于该声发射信号的小波函数和小波包分解层数,从而得到小波包分解后的各个频带的能量随疲劳周期数增加的变化情况的小波包能量谱图.实验表明:上述信号处理方法可获得能表征金属材料随着疲劳周期数增加的早期结构疲劳损伤程度变化的频带特征,为桥梁结构、建筑工程结构构件中常用钢材疲劳过程的声发射监测及早期疲劳损伤程度的加剧提供参考依据.     

基于非线性疲劳损伤的沥青路面轴载换算

为了建立沥青混合料的非线性疲劳损伤演化方程, 同时为完善沥青路面的轴载换算方法, 首先进行沥青混合料的配合比设计, 确定矿料级配及最佳油石比, 然后从损伤力学基本理论出发, 定义模量衰减为其疲劳损伤参量, 由此推导得到了疲劳损伤方程, 并以此方程对小梁直接拉伸疲劳试验结果进行拟合, 得到了模型参数和损伤随应力比的变化规律, 建立了沥青路面轴载换算新方法。结果表明:沥青混合料的疲劳损伤演化具有明显的非线性, 用Miner线性疲劳损伤理论来描述沥青路面疲劳损伤演化过程不合适, 由此推导得到的轴载换算方法偏不安全, 建立在非线性疲劳损伤演化基础上的轴载换算方法考虑了加载历史和损伤历史的影响。     

一种基于临界平面法的多轴疲劳寿命预测模型

在多轴交变应力作用下,由于非比例循环附加强化效应导致疲劳寿命降低。针对这一问题,以薄壁圆管疲劳试件为研究对象,在分析临界平面上剪应变和正应变随相位角变化特征的基础上,引入了一个新的有效循环变量———临界平面上的等效应力,提出了一种新的多轴疲劳预测模型。新的损伤参量不含经验常数,便于工程实际的运用。通过和铝合金7075-T651多轴疲劳实验数据比较,结果表明,所提出的多轴寿命预测模型具有更好的预测精度,适用于比例与非比例加载条件。