冷作模具钢DC53断裂性能研究

针对冷作模具钢DC53的断裂失效情况,开展断裂韧度及疲劳裂纹扩展试验,获得材料断裂性能参数。基于线弹性断裂力学理论,运用三维断裂分析软件FRANC3D模拟计算含有穿透型裂纹的标准紧凑拉伸CT试样的裂纹前缘应力强度因子,由Paris公式计算裂纹扩展寿命,并将理论计算、数值模拟和断裂力学试验进行对比研究。结果表明:数值模拟、理论计算以及试验得到的裂纹扩展寿命在16.7%的合理误差范围内。     

基于等效寿命的航空铆接疲劳特性试验研究

通过二级变幅载荷谱试验与Elber模型相结合分析搭接铆接结构疲劳特性,讨论铆接参数对疲劳断口特征及疲劳寿命的影响。结果表明:疲劳裂纹萌生于搭接板内的多个位置,裂纹源及断裂截面位置受铆接参数及疲劳载荷水平影响;对于较大铆接力下疲劳载荷影响更显著,使用基于Elber裂纹张开应力模型的等效裂纹扩展速率能较好反映铆接工艺及第二弯曲效应影响下的结构疲劳寿命;通常情况下增大铆接力有利于提高疲劳寿命,但其变化规律依赖于疲劳载荷的水平;Smax=100 MPa时,增大铆接力对于4 mm铆钉试件提高疲劳寿命效果显著,但Smax=150 MPa时,较高的铆接力会导致疲劳寿命的增益出现衰减。     

基于DIC的塑性诱导疲劳裂纹闭合行为研究

预测变幅载荷作用下的结构寿命,需研究材料的疲劳裂纹闭合效应,确定材料疲劳扩展时张开载荷的变化规律。针对箭体管路结构中常用的0Cr18Ni9不锈钢,通过数字图像相关技术测试2 mm厚0Cr18Ni9不锈钢板疲劳裂纹扩展时的张开载荷,获得张开载荷随裂纹长度、最大应力强度因子的变化关系;初步得到考虑塑性诱发裂纹闭合效应修正的Paris公式,为其在变幅载荷谱下的裂纹扩展行为预测奠定基础。     

身管内壁裂纹扩展特性及剩余寿命研究

火炮发射过程中身管内膛环境十分恶劣,经过一定射击发数后内膛往往出现不同程度裂纹,影响身管寿命及发射安全性。采用有限元软件建立了包含膛线及不同位置初始裂纹的身管有限元模型,基于线弹性断裂力学理论研究了膛压、弹带摩擦力、自紧残余应力等载荷作用下身管内壁不同位置初始裂纹的扩展特性,得到了影响身管疲劳裂纹扩展寿命的危险因素为身管内壁阴线纵向裂纹,基于疲劳裂纹扩展理论,以临界断裂韧度为失效判据,获得了无镀层身管在包含不同数量初始裂纹时的剩余寿命。研究对于火炮身管的发射安全性评估、寿命预测及寿命提升研究具有重要的参考价值。     

冲击载荷作用下抽筒子疲劳寿命预测与试验验证

在火炮发射过程中,抽筒子在冲击载荷作用下,经常产生疲劳断裂。为了实现有针对性的预防性维修,提出了一种冲击载荷作用下基于协同仿真技术的不规则零部件疲劳寿命预测方法。基于Pro/E和ADAMS建立了火炮射击过程的虚拟样机,并从定性和定量两个方面进行验证,仿真得到抽筒过程中抽筒子的载荷谱。结合有限元分析,计算抽筒子在静应力下的强度和寿命。在仿真载荷谱和有限元静应力分析的基础上,结合材料的S-N曲线,建立了抽筒子疲劳损伤与寿命预测模型,得到其危险部位的最小寿命。为了验证疲劳寿命预测模型的有效性,设计了由撞击试验台、传感器和信号测试分析系统组成的抽筒子疲劳寿命验证试验装置,根据抽筒过程和仿真载荷谱,合理确定撞击高度。试验结果验证了所建立的疲劳寿命预测模型的可信性。     

风机叶片根部42Cr螺栓材料扭转失效研究

以2 MW风力机叶片42CrMoA高强连接螺栓材料为研究对象,用FLPL微机控制扭转疲劳试验机开展不同应力水平下的扭转疲劳试验。结果表明：42CrMoA材料的扭转疲劳寿命对施加的扭应力水平异常敏感,施加在高强连接螺栓上的安装扭矩不应超过理论值的1.2倍。在1.2倍理论扭矩(490 MPa)下,42CrMoA钢螺栓材料表现出良好的扭转疲劳性能,扭转疲劳寿命达10⁶周以上,在1.2～1.4倍理论扭矩(490～570 MPa)下,螺栓材料的扭转疲劳寿命骤减,仅为15 446周;在扭转疲劳过程中,42CrMoA钢材料的组织结构由正常均匀弥散的一级回火索氏体演变为块状及网状铁素体结合的不完全回火索氏体,使材料强度降低;扭转疲劳断裂为典型纯滑移型断裂,疲劳裂纹萌生于光滑试样表面,向试样内部衍生并在扭转疲劳过程中形成二次裂纹;42CrMoA钢扭转疲劳断裂类型在不同扭循环应力下基本为NF+LS→LS型顺序转变。     

基于裂纹萌生和扩展的渗氮钢疲劳寿命预测

以渗氮CrNiW钢的光滑试样和两种缺口试样为研究对象,开展超高周疲劳试验.观察渗氮CrNiW钢的疲劳断口显微组织,分析S-N曲线特性及失效机理,基于裂纹萌生模型和裂纹扩展模型计算渗氮CrNiW钢的萌生和扩展寿命,结合裂纹萌生和扩展寿命计算总疲劳寿命.结果表明:随应力集中系数增加,ΔKFGA小幅降低,ΔKfish-eye减小明显;应力幅值较低时,裂纹萌生寿命占总疲劳寿命的比例很高,裂纹扩展寿命占比很低,基本可忽略;模型预测的总疲劳寿命与试验结果较接近,除个别数据点外,预测结果均在2倍偏差内,预测较准确.     

外物损伤对叶片振动疲劳裂纹扩展性能的影响

为研究外物损伤(FOD)对航空发动机叶片的疲劳裂纹扩展影响,基于落锤冲击试验系统,在不同冲击能量下进行TC4钛合金试件的FOD模拟试验及振动疲劳试验,获得损伤试件的裂纹长度与疲劳寿命的关系,并拟合疲劳断口裂纹形貌参数,建立疲劳裂纹扩展寿命预测计算模型。研究结果表明：损伤缺口的深度和宽度随冲击能量的减小而非线性的减小。当冲击能量较大时,试件的疲劳裂纹先沿弯曲微裂纹扩展,后沿直线扩展;当冲击能量较小时,试件疲劳裂纹保持直线扩展。裂纹的萌生寿命与冲击能量、应力水平二者相关。     

基于裂纹形成及扩展的火炮闩体寿命研究

某自动武器定型试验实弹射击累计523 发时,静检发现闩体出现约1 mm 深裂纹,为了 判定损伤闩体剩余寿命是否满足使用要求,应用解析与数值模拟方法,对闩体裂纹形成阶段的寿命 和扩展阶段的寿命进行了分析计算。结果表明,在常温正装药条件下,考虑闩体实际加工表面粗糙 度对疲劳寿命的影响,计算总体寿命不小于1 650 发,可满足闩体的设计要求。同时,对闩体疲劳 裂纹形成的影响因素进行了分析,根据分析计算结果,采取了减小闩体局部表面粗糙度措施,使该 火炮闩体寿命提高到1 800 发以上。     

用SQCE理论计算疲劳裂纹扩展速率及剩余寿命

对用奇异准谐调元理论进行疲劳裂纹扩展速率和剩余寿命的数值计算做了初步探讨，计算结果与实验结果完全吻合。因此，用ＳＱＣＥ理论计算实际结构的疲劳裂纹扩展速率和剩余寿命，可以达到节省时间，材料和经费的目的。     

基于表面裂纹萌生与扩展的疲劳寿命预测模型

为了预测表面裂纹萌生与扩展的疲劳寿命,分别对渗碳CrMn钢的光滑试样与渗氮CrNi钢的光滑、缺口试样开展超高周疲劳试验,观察试样的疲劳缺口,分析试样的S-N曲线及疲劳损伤机理。考虑应力比、疲劳缺口系数与残余应力3种因素,构建更准确的裂纹萌生寿命预测模型,并对表面失效的裂纹萌生寿命进行预测。用Israel提出的裂纹扩展寿命预测模型计算裂纹扩展寿命,再将预测的裂纹萌生与扩展寿命相结合得到总疲劳寿命。结果表明：裂纹萌生寿命预测模型的预测结果与试验结果基本一致,构建的新模型较可靠。计算的总疲劳寿命与试验疲劳寿命相比,绝大部分都小于3倍误差,寿命预测较精准。     

氢损伤对S135钻杆钢疲劳性能的影响研究

研究NACE TM0177标准中规定的A溶液浸泡前后S135钻杆钢的疲劳性能。结果表明:浸泡后S135钻杆钢的疲劳性能比浸泡前有明显降低,同一应力水平下疲劳寿命离散性增大;氢损伤导致S135钻杆疲劳强度降低,易于发生氢脆,氢在S135钢疲劳裂纹形成扩展过程中起着促进和加速的作用;疲劳裂纹的形成和扩展直至断裂是氢脆加疲劳两种机制共同作用的结果。     

考虑高强度钢加工表面完整性的背应力能法疲劳寿命预测模型

循环应变能法从疲劳损伤机理的角度对疲劳寿命进行预测,能够很好地解释疲劳断裂行为,故得到广泛应用。然而,对材料整体性能的大量试验研究中常常不考虑加工表面完整性,从而影响了能量法的预测精度,为此提出一种考虑加工表面完整性的循环背应力能法疲劳寿命预测修正模型,通过引入残余应力随深度围成的面积作为影响因子来考虑加工表面层力学特征对总背应力能的影响,将微裂纹不扩展阈值作为影响因子表征表面层几何和组织特征对总背应力能的作用。研究结果表明：针对淬火回火前的重载车辆扭力轴高强度钢材料,考虑加工表面完整性的修正模型疲劳寿命预测误差分散带缩小38%,预测精度提高25%,与疲劳断裂后实时统计单周次循环背应力能密度的模型具有相同的误差分散带(1.25倍),克服了传统能量法需要在疲劳试验后才能进行寿命预测的缺点;针对淬火回火后的超高强度钢材料,考虑加工表面完整性的修正模型疲劳寿命预测精度从72.7%提升到了92.2%,克服了疲劳断裂后实时统计单周次循环背应力能密度预测模型的失效性,误差分散带从3.30倍降到了1.41倍;新模型提高了能量法在不同加工表面层特征的适用性,实现了面向服役性能的加工表面完整性评价。     

导弹贮箱的剩余寿命分析

根据断裂力学进行结构可靠性分析,利用现有的疲劳裂纹扩展数据或疲劳裂纹扩展试验的不完全数据,对疲劳裂纹扩展的可靠性进行研究,从而推算出剩余寿命。文中算例验证表明,该模型可作为工程应用的一些安全性评定的优先选择的方法和手段。     

超声冲击对铝合金MIG焊接接头超高周疲劳性能的影响

通过超声疲劳试验和超声冲击试验,探究A7N01P-T4铝合金焊接接头未冲击和冲击后疲劳试样超高周疲劳性能,利用高分辨扫描电镜对失效断口进行观察。结果表明:冲击后试样超高周疲劳寿命相对于未冲击试样有显著提高,两条曲线均连续下降,当循环周次为2×106周时,未冲击试样疲劳强度为69.30 MPa,冲击后试样疲劳强度为97.72 MPa,提高了41.0%;未冲击试样疲劳裂纹从焊趾表面萌生,冲击后试样焊趾处表层组织得到强化,裂纹从焊趾转移至焊缝表面萌生;两组扩展区形貌均主要以穿晶断裂为主,伴随大量的撕裂棱,局部观察到沿晶形貌,为典型的解离断裂特征,瞬断区观察到大小不同的韧窝,为韧性断裂特征。     

两种中碳铬镍钼钢高温回火态的延性断裂韧度

通过对阻力曲线（Ｊ＿Ｒ－△ａ）的剖析，结合ＴＥＭ组织和ＳＥＭ断口分析，研究了两种中碳铬镍钼钢高温回火态的延性断裂韧度。结果表明：在５００～５９０℃回火时条件断裂韧度Ｊ＿（０．２）随回火温度升高而增大，而启裂断裂韧度Ｊ＿ｉ随回火温度变化的规律较为复杂。这是因为决定材料抵抗裂纹启裂能力大小的主要因素是Ｊ＿ｃ（弹性分量），而ｄＪ＿ｐ／ｄａ则能明显影响裂纹稳定扩展能力的大小。     

高强度低合金钢在低温下的疲劳裂纹扩展行为

本文研究了高强度低合金钢在低温下的疲劳裂纹扩展速度和疲劳断裂韧性,结果表明,在FDBTT(-40℃),与其它温度的断口相比,其疲劳裂纹扩展区最大,疲劳条纹宽度最细,da/dN最低;准解理的出现,减少了临界裂纹尺寸,从而降低了疲劳断裂韧性。同时还研究了断裂机制随温度降低时的变化规律,讨论了疲劳韧脆转变特性。     

火炮身管疲劳断裂试验和数值模拟研究

烧蚀磨损和疲劳是影响火炮身管寿命的主要因素,前者使内膛表面产生了随机的烧蚀坑或微裂纹,形成了大量的应力集中区,在疲劳作用下,微裂纹沿身管径向由内向外扩展形成宏观裂纹,一旦其深度达到临界值,继续发射则可能导致身管断裂。针对身管疲劳断裂问题,根据火炮发射过程中载荷作用特点,自主设计了液压冲击疲劳试验装置,在实验室条件下再现了身管服役条件下的疲劳断裂现象。试验结果表明：冲击载荷作用下,身管疲劳断口包括裂纹源、扩展区和瞬断区3个部分,扩展区呈现典型的“海滩条纹”特征;身管外壁面周向应变的演化规律与裂纹的扩展速率变化规律之间存在内在的映射关系,从而可为身管健康监测、发射安全性评估提供新的技术手段。数值模拟采用J-C方程描述炮钢材料的动态本构关系,将材料的应变率效应纳入仿真计算过程中,模拟结果与试验结果之间具有较好的一致性。     

用最大正应力法则确定层状复合材料中疲劳裂纹的扩展方向

针对层状复合材料中疲劳裂纹扩展的复杂路径,用最大正应力法则探讨了疲劳裂纹的扩展方向问题;并利用有效解决高梯度问题的数值方法--任意线法对实测试件进行了数值分析;所预测的裂纹扩展方向再与铝片构成的层状复合材料进行疲劳断裂实验的结果相对比,二者完全一致.这种一致性不仅初步证明了这一方法的正确性和适用性,并为疲劳裂纹扩展全过程的解决提供了必要的基础.     

基于ABAQUS的凸轮式抽筒子结构优化分析

抽筒子是火炮进行抽筒的关键部件,其可靠性直接影响火炮的持续战斗力。为降低抽筒子的应力峰值,利用ABAQUS软件的优化模块,对凸轮式抽筒子进行拓扑优化和形状优化,并将优化后的抽筒子导入ABAQUS中进行瞬态动力学仿真,对比优化前后抽筒子工作情况。结果表明,经过两轮优化后,抽筒子最大应力下降了31.2%,变形增大了11.2%,质量减小了13.5%,最大抽筒速度下降了3.13%。优化后模型的抽筒特性改变很小,抽筒子应力均下降到安全范围内,其工作可靠性有所提高,抽筒子的优化分析对类似结构设计有一定的参考价值。