老龄飞机MSD结构剩余强度评定技术

讨论了多部位损伤(MSD)对结构安全性的影响和MSD结构安全性评定所赋予的新内容。通过等距等长共线孔孔边裂纹平板和等距等长共线裂纹平板的剩余强度计算,研究分析了MSD结构剩余强度评定中裂纹之间的相互作用、材料塑性、裂纹连通准则和破坏准则等关键技术。     

基于断裂力学的多部位损伤结构的剩余强度分析方法研究

老龄飞机中由于多裂纹的产生将导致结构剩余寿命大幅削减。针对如飞机机舱上布有沿纵向铆钉接头的隔板结构,文中给出一种分析多部位损伤结构剩余强度的方法。裂纹扩展模型是分析的基础,文中对两类(单参量和三参量)扩展模型进行讨论,给出裂纹在增量载荷下萌生与稳定扩展的处理方法。基于Irwin和Dugdale裂尖张开位移模型与Swift准则,给出较为完整的分析多部位损伤(multiple site damage,MSD)结构剩余强度的方法。最后,通过对飞机压力舱上的沿纵向铆钉接头的模拟计算,对文中方法进行验证。由分析结果可知,采用文中方法计算得到的剩余强度值与试验值符合得较好,该方法能较为准确有效地对复杂MSD结构的剩余强度进行分析。     

飞机铝合金壁板结构广布疲劳多裂纹扩展与剩余强度研究

随着航空工业的发展,飞机经过长时间服役,其广布疲劳损伤带来的飞机服役可靠性问题日益受到关注。针对飞机铝合金壁板结构开展了疲劳裂纹扩展试验与剩余强度拉伸试验,以及数值仿真研究,并采用塑性区连通准则、表观断裂韧性准则、净截面屈服准则和韧带平均应力准则4种典型的多裂纹连通准则对其剩余强度进行了对比分析。结果表明：随着疲劳裂纹的逐渐扩展,裂纹尖端应力强度因子逐渐增大,裂纹扩展速率逐渐增大。对于含多裂纹的铝合金壁板结构,建立剩余强度与裂纹总长度的关系更能准确体现机身壁板在实际服役过程中的剩余强度变化。与其他3种准则相比,塑性区连通准则可以控制含等长度裂纹与非等长度裂纹的铝合金壁板结构剩余强度的预测结果与试验结果的相对误差在5%以内,是4种准则中预测精度最高的,因此,塑性区连通准则对飞机铝合金壁板结构广布疲劳损伤设计具有良好的指导意义。     

加筋板广布疲劳损伤的剩余强度分析

给出加筋板广布疲劳损伤的两种损伤类型和两个剩余强度判据,剩余强度判据是净截面塑性区屈服判据和裂尖韧带屈服判据.给出蒙皮带有多裂纹和蒙皮带有多裂纹且桁条也带有裂纹时应力强度因子的近似工程估算方法.文中也给出加筋板含多裂纹时剩余强度净截面塑性区屈服判据和裂尖韧带屈服判据的表达式及塑性区尺寸估算方法.对三种损伤的加筋板进行剩余强度试验,指出多裂纹尤其是桁条也带裂纹时剩余强度降低较多.用上述两种判据进行加筋板广布疲劳损伤剩余强度预测,预测结果和试验结果比较符合.     

用损伤变量D2计算压力容器裂纹扩展阶段的剩余强度与剩余寿命

就多晶体弹塑性材料在疲劳载荷作用下从宏观裂纹的形成，扩展直至断裂的裂纹扩展阶段，用损伤变量D2作为本阶段强度与寿命的计算参量，提出了这个过程描述材料疲劳断裂行为的新方法，并与已广泛应用的其他方程相互沟通，从而对某些材料行为的变化规律形成一个整体的认识，此外还以压力容器作为实例，采用新的方程进行了计算，这对工程界能有效地理解，接受和应用，将有着实际意义。     

广布疲劳损伤加筋板结构剩余强度分析

广布疲劳损伤（widespread fatigue damage,WFD）对老龄飞机是非常重要的问题。文中用工程方法和有限元方法计算含广布疲劳损伤（WFD）加筋板的剩余强度,完成3种类型9件加筋板的剩余强度试验。计算结果和试验结果比较吻合,能满足工程精度的要求。结果还表明,WFD明显降低了加筋板的剩余强度。     

多级载荷作用下剩余强度的估算

针对现有方法在估算多级载荷作用下的剩余强度时存在的不足,文中在Schaff提出的剩余强度模型的基础上提出等损伤比剩余强度模型,并用于多级载荷作用下剩余强度的估算,给出多级载荷作用下剩余强度的退化模型公式.此剩余强度退化模型计算公式把后期计算建立在前期剩余强度的基础上,适于递归计算.由于采用等损伤比模型,适用于任意级载荷作用或随机载荷作用下的剩余强度估算,因此适用范围更广.     

点腐蚀损伤管道剩余强度的评价方法

采用模拟多孔材料拉伸试验,建立了含孔洞型损伤管线钢的宏观力学性能退化规律模型。结果表明：管线钢的弹性模量和屈服强度随孔隙率的增大而显著降低,对于X70管线钢,当孔隙率达到50％时,材料表观弹性模量和屈服强度降为零。基于损伤理论,将用于评价体积型缺陷的API RP579公式进行了改进,建立了点腐蚀损伤管道的剩余强度评价公式。算例分析结果表明：将点腐蚀缺陷简化为局部腐蚀缺陷,其保守程度随点腐蚀深度增加而增大,当最大点腐蚀深度小于t／10时,这种简化处理在工程上可以接受。     

疲劳强化和损伤过程中材料的剩余静强度研究

以某汽车传动轴的标准材料试样为对象,试验研究了强化和损伤过程中试样的剩余静强度的变化特征。试验结果表明:试样的剩余静强度随着疲劳强度的强化而增大,随着材料损伤程度的增大而减小;剩余静强度的变化趋势与疲劳强度的变化趋势基本一致;在最佳强化载荷和最佳强化次数下,剩余静强度变化的稳定性和规律性强,偏离最佳强化次数时,剩余静强度变化的规律性较差。     

Nomex蜂窝复合材料冲击损伤及剩余剪切强度试验

Nomex蜂窝复合材料在航空航天中的应用越来越广泛,但其对低速冲击损坏较为敏感,针对Nomex蜂窝复合材料冲击损伤问题,研究了蜂窝材料在冲击作用下的损伤行为,并进行了剩余剪切强度试验,观察试验件应变值变化,得出试验结构件破坏载荷和最大破坏应变,并与未进行冲击试验的试验件进行对比。结果表明:冲击损伤后,破坏载荷的保持率为69.0%左右,破坏最大应变的保持率为78.8%,即冲击损伤使蜂窝复合材料的力学性能恶化,且影响较大。     

层合复合材料板的低速冲击损伤及剩余压缩强度研究

针对复合材料层合板的冲击及冲击后的压缩破坏过程提出了一种全程分析方法。该方法应用三维逐渐累积损伤理论和分析技术,对层合板的冲击以及冲击后含损伤的层合板在压缩载荷下损伤扩展的全过程进行分析,分析中没有对冲击后层合板的损伤状态做人为假设,而是把冲击后层合板的预测损伤直接用于剩余压缩强度研究,从而不仅提高了最终失效载荷的预测精度,而且避免了为获得冲击后损伤状态参数所进行的大量试验,同时开发了模拟程序,该程序可以预测任意铺层角度、铺层厚度的层合板受外物冲击以及冲击后的损伤状态及在压缩载荷下的逐渐损伤破坏过程和最终失效载荷。通过与已有文献结果进行比较,验证了方法及程序的正确性。     

泡沫夹层复合材料的低速冲击损伤及剩余强度的数值模拟

基于渐进累积损伤理论和数据传递分析方法,对泡沫夹层复合材料的低速冲击以及冲击后的压缩破坏过程提出了一种全程数值分析方法,即对泡沫夹层复合材料的冲击以及冲击后损伤的泡沫夹层复合材料在压缩载荷下损伤扩展的全过程进行数值模拟分析。结果表明:由于该方法避免了以往学者对冲击后夹层板损伤状态所做的人为假设,把冲击后的预测损伤直接传递用于剩余强度的研究,从而提高了最终破坏载荷和剩余强度的预测精度,数值模拟结果与已有试验结果吻合较好。     

焊接残余应力对正交接管结构强度性能的影响

运用有限元方法对正交接管结构在常规焊接和在线焊接条件下的温度场和残余应力场进行了数值模拟。考虑残余应力,对结构在内压作用下的应力及载荷应变曲线进行了分析。结果表明,在研究该结构的强度性能时,常规焊接条件下可不考虑残余应力的影响,而在线焊接残余应力对强度性能有较大的影响。     

腐蚀管道剩余强度的评价方法及剩余寿命预测

介绍了ASME B31G-2009、BS 7910-2005、PCORRC和API 579-1/AMSE FFS-1-2007四种标准中计算腐蚀管道剩余强度的经验公式,分析对比了四种管道剩余强度评价准则对预测结果的影响;并采用AMSE B31G-2009标准公式、有限元模拟和可靠性分析三种手段分别对某缺陷集输管道进行了剩余寿命预测。结果表明:对于不同钢级管道,API 579-1/AMSE FFS-1-2007标准方法预测的剩余强度最为保守,其次为ASME B31G-2009标准方法预测的,BS 7910-2005标准和PCORRC标准方法得到了相似的曲线,BS7910-2005标准的计算结果要稍大一些;为提高预测精度,需采用非线性有限元和可靠性分析法进一步预测剩余寿命;采用经验公式、有限元法和可靠性分析得到的剩余寿命结果较为接近,分别为10.8,12,13.6a。     

运用改进残余力向量法的结构损伤识别研究

针对结构损伤识别时测试结构模态振型不完备的情况,采用了自由度凝聚方法进行模型凝聚,并给出了缩聚模型的残余力向量计算公式,证明了残余力向量对结构损伤单元的敏感性.为减小自由度凝聚及测量等因素带来的误差影响,提出了一种改进的残余力向量法.该方法首先通过测试损伤结构多阶模态得到残余力向量,并计算相对于损伤前结构的残余力向量得到残余力向量差矩阵,选取向量差矩阵各行元素中最大绝对值组成改进的残余力向量.损伤识别时,先运用改进的残余力向量确定可能损伤单元,再运用筛选法计算单元损伤程度.数值仿真算例说明,采用该方法只需结构的前几阶低阶频率和振型,就可以快速准确地识别出结构的损伤,显示了该方法具有较好的抗噪性.     

TiN涂层残余应力对其界面结合强度的影响

用X射线衍射法测试了40Cr基体表面生成的TiN涂层结合界面残余应力,并利用划痕试验法测试了TiN涂层的结合强度,建立了残余应力与结合强度的定性关系。试验结果表明,TiN涂层残余应力对其结合强度有明显的影响,涂层残余应力越大,其结合强度越小,在涂层制备程中减小残余应力,有利于提高其结合强度。     

基于疲劳性能的热损伤巴氏磁参数表征

通过对不同程度激光烧伤的4340M钢试样进行巴克豪森磁信号测试和旋转弯曲疲劳试验,获得了基于疲劳寿命缩减的热损伤程度磁参数评判指标。研究结果表明,烧伤区巴氏磁参量的变化量与疲劳寿命的缩减相对应,且这种变化量与低应力区寿命缩减的对应关系更为显著。同时,巴氏磁参量的变化量与疲劳强度缩减系数线性相关,表明巴氏磁参量的变化量不但能可靠表征热损伤的程度,而且能方便地预测热损伤后的疲劳强度。     

双腐蚀缺陷油气管道剩余强度分析

以X60双腐蚀缺陷油气管道为研究对象,借助ANSYS软件,分析双腐蚀缺陷半径和缺陷深度对其等效应力和剩余强度的影响。结果表明:随着轴向位置的增加,双腐蚀缺陷管道等效应力在屈服极限与抗拉极限之间变化;随着缺陷半径的增大,剩余强度呈增加的趋势,安全性增强;随着缺陷深度的增大,剩余强度呈减小的趋势,安全性降低。所得结论对于油气管道的腐蚀安全评价有一定的参考意义。