2024铝合金喷丸试件疲劳寿命试验及仿真研究

现有的喷丸材料疲劳性能研究扩展有限元模型没有考虑残余应力对裂纹扩展的影响。对2024铝合金的喷丸与未喷丸试样进行三弯疲劳试验,以明确喷丸工艺对试件疲劳寿命的强化作用。通过ABAQUS建立试件的二维平面应力模型,导入残余应力并利用扩展有限元法模拟循环载荷下裂纹的萌生与扩展,对比试验结果来验证该扩展有限元数值模型的正确性。最后基于该数值模型,改变载荷工况,研究不同载荷工况下残余应力对疲劳寿命的影响,得到喷丸残余应力强化作用与载荷工况的关系。结果表明:喷丸引入的残余应力可以有效地增强试件的疲劳寿命;过大的循环载荷可能造成喷丸残余应力发生松弛;在最大载荷不变的前提下,应力比越小,试件疲劳寿命越短;应力比越大,残余应力对疲劳寿命强化效果越明显。     

基于损伤力学的疲劳裂纹萌生及扩展规律研究

针对金属构件疲劳裂纹的萌生、扩展寿命及其规律等问题,应用损伤力学理论与有限元相结合的方法,建立了计算疲劳裂纹全寿命的统一模型。引入附加载荷法,通过MATLAB编程计算,实现了对刚度矩阵的连续计算,并给出了编程的流程。通过对单个单元的损伤计算,得到了单元从无损到破坏过程中等效应力的变化;通过计算各个构件损伤单元寿命,进而给出了金属构件总体疲劳寿命。分析得到了微裂纹萌生及扩展寿命占总体疲劳寿命的80%以上,并应用有限元软件ANSYS模拟给出了缺口件裂纹萌生及扩展过程。理论计算的结果与试验数据对比基本一致,验证了本工作方法的准确性。     

加载载荷对ADB610钢疲劳裂纹扩展性能的影响研究

针对ADB610新型低碳贝氏体钢,采取紧凑拉伸试样、恒幅加载方式,在应力比为0.1时进行3种不同加载载荷下多试样的疲劳裂纹扩展试验,并测出裂纹扩展长度a和循环寿命N的a-N试验数据。然后采取七点递增多项式法对a-N试验数据拟合计算疲劳裂纹扩展速率。结果表明,加载载荷较小时,ADB610钢循环寿命较长;在疲劳裂纹扩展的初始阶段,加载载荷小的疲劳裂纹扩展速率相对较慢,但随着疲劳裂纹逐渐扩展,加载载荷小的疲劳裂纹扩展速率反而更大一些。     

基于小裂纹理论的铸造钛合金ZTC4疲劳寿命预测

铸造钛合金ZTC4在飞机和航空发动机上应用日益广泛.深入研究ZTC4疲劳全寿命预测方法,旨在为航空构件的损伤容限设计和寿命预测探索新的途径.本文以宏观和微观结合的手段,采用板材试样的高周疲劳试验、中心裂纹试样的长裂纹扩展试验和扫描电子显微镜(SEM)的断口分析等三种试验,研究了ZTC4在室温恒幅载荷条件下的疲劳断口特征和裂纹扩展行为;对引起疲劳失效的主要原因-材料初始缺陷(夹杂或气孔)进行了定量表征;基于Newman裂纹闭合模型建立了ZTC4长裂纹的(da/dN)-△Keff基线数据;通过对平板内埋椭圆裂纹的断裂力学分析,从基于微观结构和断口分析统计确定的初始缺陷尺寸出发,对ZTC4在恒幅载荷条件下两种应力比的疲劳全寿命进行了预测和实验验证,得到了具有较好学术意义和工程应用价值的研究结果.     

镍基合金超声疲劳裂纹扩展寿命预测研究

针对发动机结构材料承受高频循环载荷的特点,应用超声疲劳试验技术开展了镍基合金材料的疲劳裂纹扩展试验研究。考虑高频载荷下疲劳裂纹扩展过程中的温升效应,测试了超声疲劳裂纹扩展过程中的温度变化,基于温度变化对材料弹性模量的影响和热膨胀效应,数值计算了疲劳裂纹扩展应力强度因子。研究了温度变化对超声疲劳裂纹扩展的影响机制,并在现有模型基础上,建立了考虑温度影响的超声疲劳裂纹扩展模型,完善疲劳裂纹扩展寿命预测方法。     

非比例载荷下缺口件疲劳寿命预测

针对Mod.9Cr-1Mo铁素体钢缺口件进行了一系列非比例载荷低周疲劳试验,采用直流电位差法测量裂纹萌生寿命,比较了缺口半径和应变路径对疲劳裂纹萌生寿命的影响。结果表明,缺口件裂纹萌生寿命占总寿命的比例与材料类型、应变路径相关,更与缺口半径尺寸直接相关。同一路径下,随着缺口半径增加,裂纹萌生寿命所占比例增大。采用Neuber律进行缺口局部应力-应变损伤的计算,结合Smith-Watson-Topper (SWT)模型和Kandil-Brown-Miller (KBM)模型进行疲劳寿命预测。结果表明,除单轴路径和比例路径外,SWT模型得到的预测结果偏于不安全;KBM模型除对单轴预测偏于保守外,其他预测值较好,总体预测结果位于2倍分散带内。     

基于遗传规划算法的不同应力比下不同厚度7050铝合金疲劳裂纹扩展寿命预测

针对不同厚度7050铝合金试样进行了不同应力比条件下的一系列疲劳裂纹扩展试验,并运用遗传规划算法对疲劳裂纹扩展寿命进行预测。遗传规划算法是模拟自然界中生物的进化策略,通过交换、突变等遗传操作,搜索目标的最优解。建立7050铝合金疲劳裂纹扩展速率的遗传规划模型,并利用试验数据对模型进行测试,后与其他典型疲劳裂纹扩展模型进行比较。研究结果表明:GP模型预测的7050铝合金疲劳裂纹扩展寿命结果与试验值基本吻合,相对误差小于1.5%,且GP模型预测结果的准确性高于Paris模型和Walker模型。     

拉—拉疲劳下15MnMoVN多裂纹扩展研究

为分析单裂纹或多裂纹在裂纹面承受疲劳拉伸载荷作用下尖端应力强度因子变化规律和裂纹形貌变化以及疲劳寿命情况,以含不同初始长深比的半椭圆单裂纹或双裂纹的薄片试样为研究对象,对试样在应力比R=0.1的疲劳拉伸载荷下单裂纹或双裂纹情况进行了仿真分析。建立含裂纹试样的有限元模型,仿真分析了裂纹在扩展过程中尖端应力强度因子的分布情况,并将单裂纹扩展结果与双裂纹相互作用影响下的结果进行了对比研究;进行含裂纹试样的疲劳实验,分析了含单裂纹或双裂纹的试样的断裂面的形成原因,并验证仿真结果正确性。结果表明,裂纹面之间的相互作用会逐渐影响裂纹的扩展方向、扩展速率以及在扩展过程中尖端应力强度因子的变化趋势;而且初始形貌为半椭圆形的双裂纹在相互作用影响下会逐渐过渡到半圆形。     

温度/机械载荷作用下高强度刨链裂纹扩展的随机化分析

为了描述温度/机械载荷作用下裂纹扩展速率,基于疲劳和蠕变裂纹扩展的线形叠加模型,提取圆环链的材料参数,引入对数正态随机过程,建立温度/机械交变载荷共同作用下高强度圆环链的裂纹扩展随机模型,采用泰勒级数法获得指定裂纹长度下寿命分布和指定寿命下裂纹长度分析的表达式,并进行刨链裂纹扩展的实验测试研究.结果表明,建立的圆环链随机化模型与试验结果一致.     

热喷涂零件界面裂纹扩展行为影响因素研究

热喷涂技术在提高构件寿命等方面得到了广泛应用,但界面裂纹的存在对零件寿命的影响尤其明显。本工作利用有限元法研究了残余应力、涂层厚度以及初始裂纹长度等因素对界面裂纹扩展的影响。研究结果表明:残余压应力的增加会导致临界载荷的降低,促使裂纹尖端应力相角增大,更易萌生界面裂纹;而残余拉应力的增加会导致临界载荷的升高,促使裂纹尖端应力相角降低,更易萌生垂直于界面的裂纹。此外,厚涂层易产生平行于界面的裂纹,以剪切失效为主导;薄涂层易产生垂直于界面的裂纹,以拉伸失效为主导。初始裂纹长度越长越易出现涂层与基体的剥离,导致涂层的失效。通过三点弯曲实验对不同初始长度的裂纹进行验证,实验结果与有限元模拟结果相近,验证了有限元模拟的正确性,为精确控制热喷涂零件界面的裂纹扩展提供了科学依据和理论基础。     

42CrMo钢疲劳裂纹扩展剩余寿命评估

以高频三点弯曲疲劳试验机为平台,进行42CrMo钢疲劳裂纹扩展试验研究,通过建立裂纹扩展剩余寿命评估模型,实现对存在裂纹的工程机械零部件剩余寿命的评估。采用显微成像测试系统实时采集并测量疲劳扩展裂纹,使用声发射系统监测整个疲劳裂纹扩展过程。结果表明:声发射幅值、能量等特征参数可以实时反应疲劳裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展等各个损伤阶段,并在疲劳断裂时产生急剧的突变;裂纹扩展速率的对数值与应力强度因子幅的对数值具有较高的线性相关性,建立了不同应力工况条件下裂纹扩展剩余寿命评估模型,以双排链轮轴为例进行裂纹扩展剩余寿命评估;随着疲劳应力的增加,裂纹扩展剩余寿命减小。     

循环载荷对裂纹扩展和持久寿命的影响

对铁基高温合金ＧＨ２１３２在各种最大试验载荷下的纯蠕变和循环蠕变寿命以及裂纹扩展断裂行征进行分析，结果表明，在裂纹扩展不同时期（σ〈σ０．２和σ〉σ０．２）循环加载对裂纹扩展的影响相反，而对最终持久寿命的影响则取决于这两种相反作用之总的效果。     

TB6钛合金疲劳小裂纹扩展行为

为了研究TB6钛合金自然萌生小裂纹的扩展行为,针对单边缺口拉伸试样开展室温下不同应力比(R=0.1,0.5)的小裂纹扩展实验,采用复型法观测了小裂纹的萌生与扩展情况。结果表明:同一应力比下,随着应力等级的降低,小裂纹的萌生寿命由占全寿命的60%增加到80%,但应力等级对TB6钛合金小裂纹扩展速率没有明显影响。裂纹早期扩展速率受微观组织的影响大,TB6钛合金扩展速率转变临界值是200μm,一旦裂纹长度达到200μm,裂纹扩展速率将不受取向不同的晶界或晶粒影响而迅速提升。TB6钛合金疲劳小裂纹起源于试样缺口根部,所有试样的裂纹大部分为角裂纹,疲劳小裂纹萌生寿命占全寿命的绝大部分。     

化学钢化前后玻璃表面裂纹扩展的实验比较与数值模拟

本工作对手机超薄盖板玻璃表面裂纹萌生及扩展过程进行了实验比较和数值模拟。结果表明：对于未经化学钢化处理的玻璃，在载荷为9.80 N的情况下，裂纹萌生时间为压痕出现后30 s；而对于化学钢化玻璃，即便在严苛环境条件下，在9.80 N的载荷作用下，缺陷压痕处未发现裂纹。ABAQUS数值模拟结果表明：（1）最大主张应力位于压印缺陷的四角，并沿径向向外扩展；（2）化学钢化玻璃的最大主张应力比未经化学钢化的玻璃低465 MPa。数值模拟得到的最大主张应力位置与实际裂纹萌生位置一致。对玻璃表面裂纹扩展行为的认识有助于高强度超薄盖板玻璃的研发。     

低周疲劳下16MnR微孔的裂纹萌生与扩展

采用宏观与微观结合的方法,在疲劳试验机上进行疲劳试验,在光学显微下观察裂纹的起裂与扩展.研究了压力容器用钢16MnR在低周疲劳下微孔(40～200μm)的裂纹萌生与扩展规律.研究表明裂纹的萌生机制:滑移带启裂和疏松带启裂,前者由剪应力起主要作用,后者由正应力起主要作用.而滑移带的局部性和裂纹开叉是低周疲劳下微裂纹的两大典型现象.微观缺陷尺寸、应力水平对疲劳寿命有显著影响,当应力水平较低时,微孔尺寸对寿命的影响明显.而当应力水平较高时(超过屈服极限),孔径对寿命的影响不敏感.在同一应力水平下,微缺陷尺寸存在临界值dt,当d＞dt时,疲劳寿命下降很多.     

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。     

循环载荷压半周对疲劳裂纹扩展速率的影响

本文使用ＬＹ１１ＣＺ铝合金及１８ＭｎＨＰ钢两种板材的中心裂纹拉伸试件，在不同应力水平及应力比下，就应力比，特别是循环载荷压缩部分对疲劳裂纹扩展速率的影响进行了试验研究和分析，指出，现有裂纹闭合理论不足以解释载荷压半周的作用，并就两种材料给出了估算裂纹扩展速率的经验公式。在此基础上还指出，用线弹性断裂力学应力强度因子Ｋ作为裂纹扩展的控制参量，在理论上，有待进一步研究。     

调质42CrMo钢的弯曲微动疲劳实验研究

针对循环软化材料调质42CrMo钢进行了常规弯曲疲劳实验和弯曲微动疲劳实验,分析了常规弯曲疲劳和弯曲微动疲劳之间的差异,并讨论了循环弯曲载荷对疲劳寿命的影响。通过分析不同弯曲载荷下弯曲微动疲劳试样断口的形貌和不同循环次数下微动损伤的情况,揭示调质42CrMo钢弯曲微动疲劳过程中的损伤特性。研究结果表明:同一循环载荷作用下,弯曲微动疲劳的寿命明显低于常规弯曲疲劳的寿命;随着循环弯曲载荷的增大,弯曲微动疲劳的寿命降低更明显;微动引起的局部接触疲劳和局部塑形变形促进了弯曲微动疲劳裂纹的萌生和进一步扩展。     

疲劳裂纹扩展试验载荷谱加重方法研究

为探索缩短疲劳裂纹扩展试验周期的载荷谱处理方法,对多种裂纹扩展模型进行了综述,概括出一种通用的裂纹扩展预测模型表达式。提出了一种将峰谷值同时等比例放大的载荷谱加重方法,并推导出加重前后裂纹扩展寿命的转换关系。用一种随机谱和两种块谱的基准谱及对应四种比例加重谱进行了LY12CZ中心裂纹板裂纹扩展试验,用常幅载荷谱及其1.1倍加重谱进行了典型机身壁板结构裂纹扩展试验。试验结果表明载荷谱等比例加重方法可以有效缩短疲劳裂纹扩展试验周期而不改变结构破坏模式,而分析结果表明由该方法预测的裂纹扩展寿命与试验结果的误差在15%以内,满足工程精度要求。     

悬臂弯曲加载10CrNiMo钢的S-N曲线试验研究

采用有限元方法,计算了在悬臂弯曲加载方式下,不同载荷作用时板状光滑试样施力点处的挠度;采用成组试验法,通过载荷控制模式,进行了应力比为-1时10CrNiMo钢的S-N曲线试验,并对试样断口进行了观察和分析。结果表明:在试验载荷范围内,所设计试样施力点处的挠度变化,在试验机作动器的有效行程内,可满足S-N曲线试验,通过试验获得了两种常用置信度下10CrNiMo钢的S-N曲线;在大载荷往复作用时,表面裂纹从试样上、下两个表面萌生并扩展所形成的面积基本相当,但在小载荷循环作用下,表面裂纹通常先从试样的一个表面萌生并扩展,当裂纹扩展至一定程度时,试样另一个表面才开始萌生疲劳裂纹,并协同前一表面的裂纹共同扩展至试样断裂。产生这种现象的原因,和不同大小的载荷开动试样上下两个表面材料内部滑移系的数量、材料内部组织的不均匀性,以及裂纹在扩展过程中前缘应力状态的变化有关。