高温构件蠕变损伤与裂纹扩展预测研究新进展

精准的寿命预测是高温构件设计制造与运行维护的关键,但多轴应力和裂纹等缺陷的存在使得寿命预测的难度大大增加。综述了笔者近年来在高温蠕变损伤模型和蠕变裂纹扩展仿真方面的研究工作,主要包括:讨论了应力水平和应力状态对蠕变断裂应变的影响规律;基于幂律蠕变控制孔洞长大理论,提出了新的多轴蠕变延性模型;采用基于应变的损伤力学模型,预测了多种含缺陷结构中蠕变裂纹的扩展行为,并分析了蠕变条件下多个表面裂纹干涉、扩展及合并的全过程;发展了基于晶界孔洞化损伤机制的裂纹扩展分析方法,实现了蠕变疲劳裂纹扩展仿真和蠕变疲劳氧化裂纹扩展仿真。这些工作为建立考虑多轴应力影响的含缺陷高温构件寿命预测方法提供了有力支持。     

基于DFR法的工程结构振动疲劳寿命评定

以某含铸造缺陷的设备结构为对象,通过样件的基本力学性能及疲劳/裂纹扩展性能测试、模态及动力响应测试、动力响应分析及危险部位载荷谱确定等工作,采用细节疲劳寿命额定值(DFR)方法获取了该批次缺陷件疲劳寿命。研究结果可为工作在振动环境下的工程结构疲劳寿命评定探索出一条合理可行的解决途径。     

起重机主梁疲劳强度的探讨

基于有限元分析结果进行疲劳分析的基本理论、思路及方法,运用ANSYS程序对假定无缺陷和含横向裂纹起重机主梁进行有限元数值模拟,得到交变应力最大部位,预测了起重机主梁疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展阶段的疲劳寿命,以得到不同裂纹深度的主梁疲劳寿命。     

集成铸造数值模拟的车轮疲劳分析

弯曲疲劳寿命是汽车车轮重要的性能指标,目前其预测方法仍局限于传统的名义应力法或局部应力应变法,没有考虑微观组织和铸造缺陷对疲劳寿命的影响,预测铝合金车轮在低应力水平下的高周疲劳寿命时与实际情况存在相当差距。基于小裂纹扩展理论,建立低压铸造铝合金A356-T6车轮的以二次枝晶臂间距、针孔尺寸为参数的疲劳寿命预测模型。实现铸造模拟、有限元分析与疲劳分析的集成,初步建立起综合铸造过程、铸造缺陷以及相关下游制造工艺对车轮力学性能影响的平台。以某型车轮为例,采用该方法预测其弯曲疲劳寿命,试验验证预测结果比Simth-Waston-Topper方法更为准确。     

提升机主轴疲劳仿真研究

介绍了基于有限元分析结果进行疲劳分析的基本理论，思路及方法，运用ANSYS程序对假定无缺陷和含横向裂纹KJ型双筒提升机主轴进行有限元数值模拟，得到交变应力最大部位，预测了提升机主轴疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展阶段的疲劳寿命。并得到不同裂纹深度的主轴疲劳寿命。     

考虑修正平均等效应力强度因子的焊点缺陷疲劳寿命研究

提出了一种基于超声回波的焊点缺陷疲劳寿命预测评价方法。该方法采用模糊数学理论,基于超声回波特征获得损伤系数,然后综合考虑法向应力、剪切应力和初始缺陷的影响,将焊点缺陷在裂纹扩展路径上的修正平均等效应力强度因子作为疲劳评价的参量。通过对DP600GI材料的合格焊点、焊核过小焊点和烧穿焊点的接头进行疲劳试验,比较不同缺陷对焊接疲劳寿命的影响,得到一条修正平均等效应力强度因子与疲劳寿命的拟合曲线作为含初始缺陷的焊点疲劳寿命预测曲线,研究结果表明,该曲线能有效预测含初始缺陷的点焊接头的疲劳寿命。该方法有助于合理设计电阻点焊的缺陷容限。     

基于循环J积分的压力容器疲劳寿命预测的数值模拟

开发出一种基于三维弹塑性循环J积分( J)的压力容器疲劳寿命预测的数值模拟技术。对1台含内壁纵向表面裂纹的实物压力容器进行有限元数值模拟计算和试验测试,结果显示：初始椭圆形表面裂纹在疲劳扩展过程中形状逐渐趋圆并保持圆形继续扩展。裂纹疲劳扩展过程是一个非等速的扩展过程,扩展速度呈现越来越快的趋势。基于J的疲劳寿命预测的数值模拟结果较之基于应力强度因子幅K的结果具有更高的精度,满足工程要求。该技术对于在役含缺陷压力容器的疲劳寿命预测具有重要的应用价值。     

铸造起重机金属结构疲劳裂纹扩展分析

针对铸造起重机服役过程中金属结构安全性问题,提出从疲劳破坏的角度分析其裂纹扩展情况。以铸造起重机金属结构为研究对象,调研分析铸造起重机的工艺流程,结合金属结构理论和雨流计数法,得到一年内主梁危险点的两参数二维应力谱,根据线弹性断裂力学,应用Paris公式对裂纹扩展情况进行预测,根据疲劳裂纹扩展尺寸进行预测相对应的疲劳剩余寿命。以此为基础,通过Msc.Fatigue仿真软件模拟裂纹扩展增长趋势,从而预测焊接箱形梁结构的疲劳剩余寿命。以100/40t-28.5m四梁偏轨铸造起重机焊接箱形梁结构为例,其理论计算结果与仿真结果的相对误差为1.44%。结果表明:通过理论与仿真相结合的方式可较为准确的分析疲劳裂纹扩展情形,确保了疲劳剩余寿命计算结果的精确性。     

基于铸造缺陷信息叠加算法的有限元疲劳分析

铸件中铸造缺陷破坏材料的连续性,易引起材料局部应力集中和易为疲劳裂纹扩展源。但由于铸造缺陷特征的表征十分复杂,使得目前无法构建含缺陷的力学模型。针对装载机摇臂铸件,采用了有限元网格模型传递及缺陷信息叠加算法,建立了包含铸造缺陷信息的非均质网格模型,在此基础上进行了无缺陷摇臂铸件与含铸造缺陷的摇臂铸件的结构及疲劳对比分析。结果表明:铸造缺陷会在铸件内形成局部应力集中,在相同的加载条件下时,含缺陷的摇臂铸件的应力集中度比无缺陷的摇臂铸件大,且铸造缺陷周围会出现明显的低疲劳寿命区域;在采用脉冲载荷历程情况下,铸件中的缺陷使得该部件疲劳寿命降低1/3以上。     

天然气压缩机活塞杆失效机理及疲劳寿命分析

针对油气田增压、集输用天然气压缩机活塞杆疲劳失效的问题,展开了活塞杆失效机理及疲劳寿命分析的研究。研究中根据活塞杆动力学原理,分析在一个周期中活塞杆承受的气体力、惯性力等载荷及活塞杆失效方式及失效部位,并在无损检测的基础上对活塞杆疲劳寿命进行分析,对无缺陷活塞杆采用累积损伤方法计算疲劳寿命,对含裂纹缺陷活塞杆根据裂纹萌生、扩展直至断裂分析剩余寿命。活塞杆初始裂纹形状、位置及加载方式不同对裂纹几何形状因子及强度因子有不同的影响,建立活塞杆疲劳寿命计算模型,并得到含缺陷结构的剩余疲劳寿命。文中研究为压缩机的安全使用及评价提供了重要指导意义。     

高强钢电阻点焊TS试样疲劳寿命预测

在使用裂纹扩展的方法预测焊点疲劳寿命时,裂纹尖端塑性区的存在会对寿命预测结果产生影响,而现有的大多数寿命预测方法在预测寿命的过程中并没有考虑裂纹尖端塑性对寿命预测结果的影响。针对几种不同的高强钢电阻点焊TS试样进行了疲劳寿命试验,得到了不同材料的疲劳寿命与裂纹扩展路径,在此基础上使用裂纹扩展的方法对TS试样的寿命进行了理论预测。考虑裂纹尖端的塑性变形,对理论寿命预测结果进行了塑性修正,修正后的曲线在高周疲劳区寿命预测结果几乎不变,在低周疲劳区寿命预测结果减小,寿命预测曲线变化趋势与实验结果相符合。高周疲劳由于载荷较小,塑性区半径小,所以塑性对疲劳寿命的影响小,低周疲劳区由于载荷较大,塑性区半径大,塑性对疲劳寿命影响较大。     

《工程材料高低循环复合疲劳》讲座(三) 高、低循环复合疲劳裂纹扩展

近年来已经变得明显的是裂纹扩展往往比裂纹发生在工程实际中更为重要,因为事实上绝大多数工程结构和构件都含有缺陷,或在制造时或在使用中由疲劳以外的因素所引入。这些缺陷一般都将在循环加载下扩展.此外,环境效应对裂纹形成与扩展均产生影响,特别是高温及与过程有关的时间可能是重要的。在低周叠加高周复合作用条件下,对低周疲劳裂纹扩展寿命的影响较之裂纹形成寿命来说要大得多,此时,疲劳裂纹扩展寿命显得格外重要.     

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。     

含多条裂纹梁的模态与振动疲劳寿命分析

基于Paris公式,提出了一种含多条裂纹梁疲劳寿命预估的方法。在模态分析中,基于传递矩阵方法,利用无质量的弯曲弹簧等效裂纹,提出一种求解含有多条裂纹梁固有振型的方法,分析裂纹数目、裂纹位置、裂纹深度对裂纹梁固有频率的影响。在振动疲劳分析中,研究了在简谐激励作用下裂纹数目对裂纹尖端应力强度因子的影响。通过Paris疲劳裂纹扩展方程和同步分析法,考虑裂纹梁振动与裂纹扩展的相互作用,分析了裂纹数目和裂纹位置对裂纹梁疲劳寿命的影响。结果表明,裂纹数量、裂纹位置和深度对梁的模态参数和疲劳寿命有重要影响。     

基于累积损伤的金属结构腐蚀疲劳可靠性分析

运用断裂力学方法和逐次循环法计算含初始缺陷金属结构的腐蚀疲劳裂纹扩展寿命;考虑裂纹尺寸、载荷、材料等参数的随机性,基于金属结构裂纹扩展理论,提出了一种以疲劳累积损伤ψ(a2,a1)代替裂纹长度a(N)作为功能函数的腐蚀疲劳可靠性分析方法,建立了等幅载荷谱作用下金属结构基于累积损伤的腐蚀疲劳裂纹扩展可靠性评估模型和基于Monte-Carlo法的可靠度计算方法。结合金属连接件耳片结构进行具体计算,探讨了LY12CZ和30CrMnSiA两种材料腐蚀疲劳可靠性的差异,可为工程设计提供有益参考。     

压力管道全寿命周期疲劳裂纹扩展分析

针对制造过程中产生的缺陷对压力管道寿命的影响,提出一种基于Parris模型的疲劳裂纹扩展分析方法(P-FCG)。本方法基于假定或检测缺陷的表征,结合一次、二次应力对缺陷处进行应力强度因子的计算,并通过Parris模型进行循环载荷下的裂纹扩展分析,通过失效评定图进行压力管道的安全评定和剩余寿命的预测。以某公司设计的压力管道方案为例,对不同裂纹深度a0、不同CTOD断裂度等对疲劳寿命的影响进行分析。结果表明,应兼顾简单、通用失效评定图法进行安全评定,韧性好的材料具有较高的寿命,奥氏体不锈钢裂纹扩展明显的范围为1～3 mm裂纹深度。     

考虑分级加载的连续非线性Chaboche-Paris全寿命模型

结构疲劳全寿命可分为裂纹萌生和裂纹扩展两个阶段,裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命的预测通常分开进行,很少有理论能将两者合二为一。结合CHABOCHE提出的非线性损伤理论,对Paris公式进行修正,将其扩展至全寿命阶段;建立损伤累积与裂纹长度关系模型,分析分级加载对损伤累积的影响。计算结果表明,提出的Chaboche-Paris全寿命模型对无初始裂纹结构的寿命预测结果与其S-N疲劳试验数据结果一致,对具有宏观可见裂纹结构的寿命预测结果与Paris公式计算结果一致,验证提出的全寿命模型在全寿命预测和裂纹扩展寿命预测两个阶段的可用性和正确性;分级加载时,Chaboche-Paris模型可以体现出加载顺序对疲劳损伤累积的影响,当外载为低-高加载时,循环比之和大于1,当外载为高-低加载时,循环比之和小于1,与试验结果吻合。     

钛合金结构疲劳全寿命计算方法研究

依照钛合金裂纹萌生和小裂纹扩展寿命较长的特点,结合目前的检测水平,将钛合金疲劳全寿命分为3个阶段,裂纹由0 mm～0.3 mm为裂纹萌生寿命,0.3 mm～2 mm为小裂纹扩展寿命,2 mm～aC为长裂纹扩展寿命。各阶段因为破坏机理的不同而采用不同的寿命预测方法,从而提高疲劳全寿命预测的准确性。超低间隙钛合金TC4ELI和TA15ELI等幅和谱载荷下疲劳全寿命试验和预测结果表明,裂纹萌生寿命在全寿命中所占比例最大,预测误差最大;长裂纹扩展寿命所占比例最小,预测精度最高;小裂纹扩展寿命所占比例稍大于长裂纹,预测误差大于长裂纹。等幅载荷和谱载荷下全寿命预测误差均符合工程结构疲劳寿命预测的精度要求。     

含表面裂纹焊接结构疲劳评定的质量等级方法

针对含裂纹焊接结构的疲劳评定,基于断裂力学的传统方法依据Paris公式需多次迭代计算估计结构寿命,计算量较大、耗时较长,不便于对工程问题做出及时快速决策。通过含裂纹结构疲劳强度与S-N曲线的等效关系,建立含裂纹结构的质量等级方法,实现快速疲劳评定。针对无限长裂纹,推导计算出与S-N曲线对应的含无限长裂纹结构质量等级,确定不同质量等级下无限长裂纹的允许深度。进而,针对有限尺寸裂纹进行疲劳裂纹扩展分析计算,基于等疲劳强度和等疲劳寿命建立无限长裂纹的等效方法,获得有限尺寸裂纹对应的等效无限长裂纹深度。以轴向载荷下含表面裂纹板为对象,采用该方法计算出一系列板厚下不同质量等级的无限长裂纹允许深度,以及不同裂纹形状比的等效无限长裂纹深度,形成裂纹尺寸等效图和无限长裂纹质量等级图。采用该方法对一典型含裂纹结构进行疲劳评定,并与基于断裂力学的传统方法进行比较,验证了质量等级方法的可行性。研究方法将有助于质量等级方法在含裂纹结构疲劳评估中推广应用,对实现含裂纹设备疲劳寿命的快速评估具有重要意义。     

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。