风机增速齿轮含初始裂纹扩展特性及寿命分析

针对某风机增速齿轮疲劳裂纹断裂问题，基于M积分法探究含初始三维裂纹的增速齿轮在裂纹扩展时的变化规律。根据断裂力学原理结合有限元原理分析计算，得出应力强度因子及疲劳扩展循环次数的变化规律。确定增速齿轮齿根受力最大位置后创建三维裂纹模型；通过改变齿根边缘三维裂纹纵向位置来探究三维裂纹在扩展过程中的应力强度因子及疲劳寿命变化。结果表明：随着裂纹扩展步数的增大，3组裂纹的应力强度因子 KⅠ 均增大，且齿根裂纹1应力强度因子一直保持最大；在直齿轮边缘的裂纹，越靠近齿根其疲劳寿命越小。     

航空发动机叶片TC4钛合金振动疲劳裂纹扩展研究及剩余寿命预测

目的研究TC4钛合金的振动疲劳特性及寿命预测。方法通过共振疲劳试验,分析裂纹尖端应力强度因子的变化规律,计算不同应力水平下疲劳裂纹扩展的速率,建立剩余寿命预测计算模型。结果裂纹尖端的应力强度因子是表征裂纹扩展速率快慢的有效参数,与裂纹长度及应力场的大小相关。在裂纹扩展初期应力为274 MPa的条件下,裂纹扩展速率的试验值与计算值吻合较好。通过寿命预测模型计算可知,当初始裂纹为0.5 mm,最终裂纹长度达到5 mm时,在应力为274、366、422 MPa的条件下,振动循环周期分别为36 577、19 090、13 865。结论在应力比为?1的振动条件下,裂纹扩展速率随应力水平的增大而加快,同时初始裂纹长度越长,应力相同时,裂纹扩展速率提高。通过寿命预测模型,可计算出结构件的使用寿命。     

涡轮盘中心孔三维疲劳裂纹扩展分析

基于有限元软件ABAQUS和三维裂纹扩展分析软件Franc3D,对涡轮盘中心孔三维疲劳裂纹扩展进行研究分析。首先,对平板试样表面裂纹进行裂纹扩展模拟计算研究,对比手册中Gross/Brown理论模型验证裂纹扩展应力强度因子数值模拟的准确性;其次,针对涡扇发动机涡轮盘结构,对轮盘不同外缘等效应力、转速情况的应力强度因子以及考虑初始缺陷的三维疲劳裂纹扩展寿命进行计算;最后,讨论发动机载荷差异对应力强度因子和裂纹扩展寿命影响规律。结果表明:在相同裂纹长度时,应力强度因子随着轮盘外缘等效应力和转速增加而增大,载荷越大疲劳寿命则越短,且裂纹越长,影响越大。为工程上三维裂纹扩展计算以及寿命评估提供参考。     

高速缓冲液压缸内表面裂纹扩展特性研究

由于制造缺陷、疲劳及腐蚀等原因,缓冲液压缸在服役过程中内壁会产生轴向裂纹,严重影响液压缸的结构强度、缓冲性能和使用寿命。通过AMESim液压仿真平台建立缓冲系统模型来模拟实际工况,将缓冲油压作为有限元分析的初始载荷,建立缓冲缸有限元模型和裂纹扩展模型,研究不同初始裂纹形状、裂纹位置对疲劳寿命的影响,并分析裂纹前缘动态应力强度因子和裂纹形貌的变化。结果表明：无缺陷的油缸完全能承受缓冲压力;裂纹初始长度一定时,随着深长比增大,裂纹前缘应力强度因子会整体增大,裂纹扩展速度加快;不同深长比的初始裂纹经过多次循环载荷后都更倾向于在长度方向快速扩展;缸体内不同位置的裂纹疲劳寿命存在较大差异,在壁厚较小的边角位置,疲劳裂纹扩展寿命最短。     

考虑形状比的焊趾裂纹扩展行为的数值仿真分析

针对焊趾处初始裂纹的不同形状比,基于NASGRO裂纹扩展速率模型对裂纹扩展过程进行了数值仿真. 以具有不同形状比的半椭圆表征焊趾表面裂纹,考虑短裂纹扩展阶段,采用M积分计算整个裂纹前沿的应力强度因子,并将裂纹前沿应力强度因子中值点作为裂纹扩展的主要控制参量,模拟并分析了不同形状比条件下裂纹前沿的形状演变和应力强度因子的分布及变化特点. 结果表明,随着裂纹的扩展,短裂纹阶段的不同形状比变化将趋于一致;短裂纹的形状比对早期裂纹扩展有较大影响,并最终导致整体疲劳寿命的显著差异性;综合初始形状比对裂纹前沿应力强度因子、扩展形状以及疲劳寿命的影响,可将其作用效果的强弱拐点作为界定短裂纹与长裂纹的有效参考. 开展了十字焊接接头疲劳验证试验,试验结果与仿真结果具有较好的一致性.     

淬火残余应力对铝合金厚板裂纹应力强度因子及扩展趋势的影响

为探究淬火残余应力对铝合金厚板疲劳裂纹扩展的影响规律,建立7075铝合金厚板表面三维裂纹数值仿真模型。采用顺序热力耦合法求解淬火残余应力场,将残余应力场作为初始载荷条件求解裂纹应力强度因子,并与无残余应力场的应力强度因子值进行对比,研究两种条件下应力强度因子的分布规律和两者之间的异同;通过分析在初始淬火残余应力条件下不同半径裂纹受不同均匀拉应力荷载作用时的裂纹应力强度因子随裂纹位置角的演变曲线,探究淬火残余应力对裂纹扩展趋势的影响规律。结果表明,淬火残余应力的存在改变了铝合金厚板应力强度因子的分布规律和裂纹的扩展趋势,淬火残余应力使表层附近的裂纹扩展受到遏止,裂纹易于在厚度方向优先扩展。     

含缩松缺陷的柴油机机身材料疲劳性能研究

在含缩松缺陷的材料疲劳试验的基础上,对缩松结构的疲劳寿命的表征方法和疲劳寿命的预估进行了研究。综合考虑缺陷面积、位置和外加载荷的影响,使用扫描电镜分析计算得到了缩松缺陷的应力强度因子变化值。建立了应力强度因子和缺陷结构疲劳寿命之间的相互关系。结果表明,缩松的应力强度因子变化值可表征其疲劳寿命,二者成幂指数函数关系。反推得到了缩松缺陷的当量初始裂纹长度,建立了缺陷应力强度因子变化与当量初始裂纹之间的关系。进一步建立了基于应力强度因子变化的疲劳寿命预测方法,为含缩松缺陷结构的疲劳寿命预估提供依据。     

T型焊接接头弯曲疲劳寿命预测方法

采用数值模拟方法对弯曲载荷下T型焊接接头疲劳裂纹由萌生至断裂过程进行研究,将焊接构件疲劳总寿命分为裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命,提出一种基于缺口效应和断裂力学的疲劳寿命预测方法。首先针对T型接头进行有限元建模,基于应变-寿命曲线与Neuber公式计算T型接头局部应变集中区域的裂纹萌生寿命,并将这一阶段结束时的初始裂纹设为半椭圆形表面裂纹;然后在T型接头中创建与实际裂纹相符的半椭圆形状裂纹,结合Dugdale模型和Westergaard应力函数,根据有限元分析结果迭代计算半椭圆裂纹尖端的真实应力强度因子,建立裂纹尖端应力强度因子随裂纹深度及附加应力变化的拟合公式;最后结合Pairs理论计算焊接构件裂纹扩展寿命,并与T型接头弯曲试验结果进行对比验证。结果表明:基于缺口效应和断裂力学的疲劳寿命预测值在试验结果的两倍误差带内,与试验结果具有较好的一致性;相同条件下,T型接头焊趾应力强度因子相比平面应变状态增加了25%; T型接头弯曲疲劳强度比拉伸疲劳强度高12%。     

U75V钢轨材料在疲劳载荷下应力强度因子的探讨

以U75V钢轨材料紧凑拉伸(compact tension, CT)试样为研究对象,应用理论公式、弹性位移外推法/弹性应力外推法、弹塑性位移外推法/弹塑性应力外推法,求解在疲劳载荷作用时不同裂纹长度下的应力强度因子及幅值。结果显示,弹性位移外推法/弹性应力外推法计算的应力强度因子及幅值和理论解基本一致;裂纹长度小于12 mm时各种计算方法的应力强度因子以及幅值几乎一样,但随裂纹长度的增大,弹塑性位移外推法/弹塑性应力外推法计算的应力强度因子Kmax以及幅值呈增大趋势。在疲劳裂纹扩展阶段中后期,考虑小范围屈服时,使用弹塑性位移外推法/弹塑性应力外推法计算的应力强度因子及幅值用于疲劳裂纹扩展速率和疲劳剩余寿命的计算会更安全。     

变压吸附器疲劳裂纹扩展剩余寿命的研究

针对承受周期性疲劳载荷的一种压力容器——变压吸附器,对其疲劳裂纹扩展剩余寿命进行预测。基于断裂力学,求出裂纹初始深度和临界深度。利用ABAQUS中的扩展有限元功能确定变压吸附器裂纹萌生的位置,并得到裂纹深度a与应力强度因子幅ΔK的关系式,利用Pairs公式得到裂纹扩展寿命。结果表明:计算得到裂纹初始深度为0.9 mm,临界深度为12.9 mm。将ABAQUS仿真得到的裂纹深度和应力强度因子幅数据进行拟合,可得到两者的关系表达式。将该关系表达式及其它相关参数带入到Pairs公式,得到裂纹从初始深度扩展到临界破坏深度对应的设备剩余工作年限为1.3年。该评估结果为变压吸附器安全运行提供了理论上的支撑。