机械密封中Ω形和U形波纹管的疲劳寿命分析

针对机械密封中的波纹管疲劳失效引起机械设备故障的问题，以Ω形和U形波纹管为研究分析对象，采用SolidWorks建立三维模型，用Ansys软件进行有限元静力学计算仿真，结合Miner疲劳损伤原理，对两种波纹管在不同预应力下的等效应力和疲劳寿命进行分析比对。结果表明：随着预应力的增加，两种波纹管的等效应力增加，疲劳寿命降低；波纹管的波峰和波谷位置都为应力集中位置；在相同预应力下，Ω形波纹管波峰处等效应力大于波谷处，U形波纹管波谷处的等效应力大于波峰处，U形波纹管易发生疲劳失效的结点数要比Ω形波纹管的多，更容易发生疲劳失效，Ω形波纹管的整体疲劳寿命大于U形波纹管。仿真分析结合Miner疲劳损伤原理所得结论可为预测波纹管的失效和波纹管优化设计提供理论依据。     

风电装备传动系统及零部件疲劳可靠性评估方法

载荷是导致失效直接原因,是影响产品可靠性的重要因素,风电装备在服役过程中经历的载荷-时间历程及其不确定性有明显的特点。由于服役方式的特殊性,一个风力发电厂中安装在不同位置的发电装备的服役载荷历程会有明显的差别。从风力发电机服役地域位置和时间两个方面描述风力发电机载荷历程的概率特性,并以此为基础,基于全概率计算原理研究风力发电机传动系统及其零部件疲劳可靠性分析与建模方法。内容包括复杂载荷历程不确定性表征方法、随机变幅载荷历程下疲劳累积损伤与等效循环应力计算方法、根据应力分布和条件寿命分布计算疲劳可靠度的方法,以及根据多级小样本疲劳寿命试验确定不同循环应力水平下疲劳寿命分布参数的方法。     

疲劳损伤状态的等效性

从疲劳过程的宏观，微观两个方面分析，论证了疲劳损伤的等效性问题，本文进行的确定“等效循环数”的疲劳试验，确定传统的“等效损伤状态”下Ｓ－Ｎ曲线（应力－剩余寿命曲线或称剩余Ｓ－Ｎ曲线）的剩余寿命试验和考察高－低，低－高不同加载顺序下疲劳损伤累积规律的试验，都证实了不存在一般意义上的“等效损伤状态”的观点。     

具有不确定性的恒幅循环载荷疲劳可靠度异量纲干涉分析方法

在概率统计平均的意义上重新解释传统的两个随机变量干涉分析的基本概念及模型,将干涉模型解释为载荷加权平均模型.具体地讲,是将应力一强度干涉模型解释、拓展为强度超越载倚概率的(载荷)统计加权平均模型,或作为应力水平函数的条件疲劳失效概率的载荷统计加权平均模型.这样,传统上只能应用于相同量纲随机变量(例如应力与强度,或载荷循环数与疲劳寿命)的干涉模型可以拓展应用于具有不同量纲随机变量(例如应力与寿命)的情形,即具有不确定性的循环载荷下的疲劳失效慨率(寿命小于指定值的慨率)或可靠度(寿命大于指定值的概率)计算.应用这样的模型,可以很方便地根据几个确定性恒幅循环载荷下的疲劳寿命分布预测具有不确定性的恒幅循环载荷作用下的疲劳失效概率或可靠度.文中还证明,先由寿命分布推导给定寿命下的疲劳强度分布,再根据应力-强度干涉模型计算可靠度的传统公式本质上与文中提出的统计平均模型是一致的.     

基于最弱环理论的缺口件概率疲劳寿命预测方法

基于最弱环理论和光滑试样疲劳寿命的Weibull分布,建立了一种缺口件概率疲劳寿命预测方法。该方法首先基于最弱环理论和光滑试样的疲劳强度分布,通过定义缺口件的Weibull有效应力,建立了缺口件在给定循环载荷下的疲劳失效概率计算公式。基于Weibull有效应力和光滑试样的疲劳应力-特征寿命方程,可计算得到给定循环载荷时缺口件的特征疲劳寿命,进一步根据光滑试样的Weibull疲劳寿命分布可最终获得缺口件在给定循环载荷下的疲劳寿命分布。采用上述方法对TC4缺口试样进行了概率疲劳寿命预测,并与局部应力应变法预测结果进行了对比。结果表明:局部应力应变法预测结果过于保守,本文方法预测精度较高,50%失效概率时的疲劳寿命预测结果与缺口试样试验均值寿命吻合很好,10%和90%失效概率时的疲劳寿命预测结果基本分布在试验均值寿命的两倍分散带之内。     

基于ANSYS与nCode的损伤钻杆疲劳寿命分析

在钻采过程中,钻杆管体关键部位的腐蚀坑或作业损伤受循环复合载荷后易发生疲劳失效导致钻杆断裂。以钻采工况下直径为127 mm的钻杆为例,基于疲劳失效理论,利用ANSYS Workbench和nCode Design-Life软件建立损伤钻杆CAE模型并对其进行疲劳寿命预测,在给定不同载荷谱参数、不同损伤压痕位置与深度的情况下,得到各参数影响损伤钻杆疲劳寿命循环次数的规律。结果表明：较高水平的平均应力与应力幅会大幅度降低损伤钻杆的疲劳寿命;损伤压痕位于内加厚过渡段消失点时,损伤疲劳钻杆寿命循环次数最小。该结果为钻杆的探伤检修及判废提供了理论指导。     

样本信息聚集原理与P-S-N曲线拟合方法

基于不同应力水平下试样疲劳寿命对应的概率分位点的一致性,研究小样本疲劳试验数据信息提取原理与P-S-N曲线试验数据统计处理方法。通过聚集不同应力水平下的寿命试验数据、融合不同应力水平下的寿命分布信息,实现各级应力水平下寿命分散性信息的集成应用。借助失效迹线和等效寿命概念,以及等效寿命分布与真实寿命分布一致性判据,提出确定寿命标准差与循环应力水平之间关系的方法。在寿命中值(均值)-应力水平关系已知、寿命标准差-应力水平关系待定的情况下,基于等效寿命分布与真实寿命分布一致性的统计检验,应用摄动寻优技术确定疲劳寿命标准差-循环应力水平方程。这种方法相当于把不同应力水平下的疲劳寿命试验数据转换为任一指定应力下的等效寿命,从而得到等效大样本数据,拟合出较为精确的P-S-N曲线。试验表明,此方法能在较小样本量(20～30)的条件下,获得与传统成组法(40～60个样本)接近的P-S-N曲线,且容易应用。     

大型结构部件多损伤点疲劳试验载荷等效方法研究

大型结构部件通常包含多个可能发生疲劳失效的高应力点,是典型的多点损伤结构.由于材料及结构性能具有分散性,大型结构件相当于一个串联系统,其疲劳寿命(随机变量)是由各高应力部位的寿命(随机变量)共同决定的.由于试验设施限制及加速试验的要求,试验状态下的结构部件往往无法做到与真实服役部件的加载方式及全局应力分布完全一致.在设计大型结构件疲劳试验方案时,需要全面考虑应力较高的多个部位,以保证疲劳试验结果能够客观、真实地再现服役状态下的疲劳寿命.研究基于“大型结构部件寿命概率分布-高应力点数量及寿命概率分布关系”的大型结构部件疲劳试验载荷等效变换方法,研究平均应力修正方法在疲劳试验方案设计中的应用及相关问题,阐释了将大型结构件服役中承受的对称循环载荷转换为试验时易于加载的脉动循环载荷的寿命等效原理、方法及具体计算公式.这些结果表明:通过这样的载荷转换,可以实现寿命概率分布基本等效的同时,显著提高电液伺服系统的试验加载频率(从2 Hz提高到4 Hz),缩短试验时间.     

基于连续损伤模型橡胶弹性减振元件疲劳寿命分析

基于连续介质损伤力学理论研究橡胶类材料疲劳寿命预测方法,用一阶Ogden应变能函数导出橡胶材料疲劳损伤演化方程,建立以等效应变范围为损伤参量的疲劳寿命预测模型。拟合橡胶材料无切口试样拉伸试验应力应变数据,获得橡胶超弹材料Ogden本构模型参数,通过有限元结构分析得出转臂橡胶球铰在疲劳载荷工况下的主应力分布。应用橡胶超弹材料等效应力计算法则与橡胶材料无切口拉伸试验应力应变数据,提出复杂应力状态下橡胶弹性减振元件等效应变范围计算方法,得出转臂橡胶球铰的等效应变范围。利用所建疲劳寿命模型对橡胶球铰进行寿命分析预测,并通过转臂橡胶球铰台架疲劳试验进行验证,结果显示试验疲劳寿命是预测疲劳寿命的1.96倍,预测精度比较理想。     

随机恒幅循环载荷疲劳可靠度异量纲干涉模型

用于与时间无关的失效模式(例如静强度失效)的失效概率或可靠度计算的"应力-强度干涉模型"已很成熟,但要将干涉分析的概念与方法应用于与时间相关的失效模式(例如疲劳、磨损和腐蚀等)还存在许多困难,即使对于存在不确定性的恒幅循环载荷下的疲劳可靠性问题,目前也还没有像静强度应力-强度干涉模型那样简单、直接、有效的方法及数学模型.在概率统计平均的意义上重新解释传统的两个随机变量干涉分析的基本概念及模型,将干涉模型解释为载荷加权平均模型.具体地讲,就是将应力-强度干涉模型解释、拓展为强度超越(载荷)概率的(载荷)统计加权平均模型,或给定应力下的条件失效概率的随机载荷加权平均模型.这样,传统上只能应用于相同量纲随机变量(例如应力与强度)的干涉模型就可以拓展应用于具有不同量纲随机变量(例如应力与寿命)的情形,例如随机载荷下的疲劳失效概率(寿命小于指定值的概率)或可靠度(寿命大于指定值的概率)计算.应用这样的模型,可以很方便地根据几个确定性恒幅循环载荷下的疲劳寿命分布,预测随机恒幅循环载荷作用下的疲劳失效概率或可靠度.     

复合材料层压板疲劳模量模型及寿命估算

提出基于单向板单轴疲劳试验数据预测层压板疲劳寿命的模型.采用疲劳模量构造典型应力比下的寿命曲线和损伤函数,利用等寿命曲线求出任意应力比下的疲劳寿命,引入复合累积损伤变量计算单向板多轴循环应力下的疲劳寿命;层压板的疲劳寿命预测以单向板多轴疲劳寿命为基础,通过层压板应力分析、失效分析和材料性能退化的循环迭代过程计算寿命;编写层压板疲劳寿命计算程序,寿命预测结果与试验结果吻合良好.     

一种考虑材料损伤的低循环疲劳寿命预测方法

为了更加精确地预测材料的低循环疲劳寿命,对三参数幂函数公式和拉伸滞后能寿命模型进行研究,提出了基于三参数幂函数的损伤能寿命预测模型。分别利用该模型和Manson-Coffin公式对高温合金、钛合金及结构钢等多种材料的低周疲劳试验数据进行拟合并将其分析结果进行对比;根据GH4133合金250℃时的低循环疲劳试验数据,建立了该条件下材料的循环应力-应变曲线和损伤能寿命预测模型,同时对曲线及模型进行验证。结果表明:建立的循环应力-应变曲线能够正确反映该条件下材料的应力与应变之间的关系;所提出的损伤能寿命预测模型对12种材料的低周疲劳试验数据的拟合效果较好,寿命预测精度明显高于Manson-Coffin公式。     

疲劳损伤状态的模糊等效性试验研究

针对复杂载荷下以等效损伤假设为基础的材料疲劳寿命的估算误差较大的问题,基于模糊理论并结合耦合损伤概念提出模糊等效损伤假设,考虑加载顺序对疲劳损伤累积的影响来回避等效损伤假设。利用45钢材料进行了L-H和H-L加载顺序两级应力下的疲劳损伤累积规律验证,并选取16Mn材料的疲劳试验数据验证基于Miner线性损伤法则和本假设对材料疲劳寿命预测的准确性。结果表明,根据本假设计算的损伤量在两种加载顺序下均与试验值吻合良好,疲劳寿命估算结果比较接近于试验值,该假设以模糊理论为依据,为疲劳分析和寿命预测提供了一定的理论参考。     

橡胶弹性减振元件疲劳裂纹扩展寿命分析

对NR68橡胶纯剪切试样进行疲劳裂纹扩展试验,结果表明裂纹扩展率与撕裂能之间存在幂率关系.基于疲劳累计损伤理论,以撕裂能范围为损伤参量,建立橡胶疲劳寿命预测模型.对NR68橡胶裂纹扩展试验数据进行回归分析,拟合得出模型参数.综合应用有限元结构分析方法、橡胶材料等效应力计算方法和橡胶单侧切口拉伸(Single edge notched tensile,SENT)试样拉伸试验的应力应变数据,提出橡胶弹性减振元件撕裂能范围的计算方法,从而将弹性减振元件在复杂应力状态下的疲劳寿命问题转化为单向应力状态下橡胶材料的疲劳寿命问题.利用所建模型对锥形橡胶弹簧的疲劳寿命进行分析预测,并通过锥形橡胶弹簧台架疲劳试验进行验证,结果显示预测疲劳寿命是试验疲劳寿命的1.33倍,预测精度比较理想.     

随机载荷循环作用下的机械结构疲劳寿命预测模型

基于名义应力法建立了随机载荷循环作用下的结构疲劳寿命预测模型。分析了结构所受循环载荷作用的不确定性特征,在以循环载荷作用次数为寿命度量指标框架下,运用概率加权法和线性Miner累积损伤法则,分别建立了疲劳寿命与应力之间关系分别服从指数函数和幂函数两种形式时,随机载荷循环作用下的结构疲劳寿命预测模型,并运用所建立的模型对某转动轴的疲劳寿命进行了预测研究。     

一种疲劳-蠕变交互作用寿命预测模型及试验验证

基于延性耗竭理论和损伤力学,对材料疲劳-蠕变交互作用下的延性消耗、损伤、循环周次和失效寿命之间的关系进行了分析,在此基础上,建立了一种疲劳-蠕变交互作用的寿命预测模型,模型形式简单,非常便于实际工程应用。通过1.25Cr0.5Mo钢光滑试样540℃和520℃环境下应力控制的梯形波加载试验,用该模型进行了失效寿命的预测,可以很好地解释相同温度和加载条件下的寿命波动,预测结果与实测结果符合较好。     

应变疲劳可靠性理论与方法的新进展

介绍概率应变疲劳试验法、评价模型和损伤随机演化机制方面的新进展。突破经典极大似然法在参考试验载荷之外的单试样限制，提出新的广义极大似然疲劳试验法。新发现随机循环应力—应变响应现象并建立其概率模型。新发展概率疲劳应变一寿命模型。概率模型参数由称为广义极大似然法的方法确定，在整体数据层面综合考虑数据分散性规律与样本量对概率评价的影响。考虑随机应力—应变关系反映“随机应变载荷”、随机应变—寿命关系揭示材料的“应变强度”，提出随机应变载荷—强度干涉恒幅可靠性模型，与Keciguliu的递推法结合可进行变幅和应变载荷谱下的可靠性分析，形成了应变疲劳可靠性理论和方法的新体系。进一步根据有效短裂纹准则，揭示疲劳性能随机及演化性的本质原因源于主导有效短裂纹萌生区域及其裂尖区域微观结构扩展条件的差异及演化性；随机疲劳裂纹扩展、应变—寿命和应力—应变关系是3个关联的随机疲劳关系；疲劳损伤是一个由初始混沌状态，到独立无关的随机状态，然后到史相关随机状态的演化过程。     

基于动应力的地铁构架疲劳损伤与疲劳寿命计算

作为轨道车辆走行部的极关键结构,转向架构架的服役安全性受到极大重视与关注。以新设计的地铁车辆动车转向架样本构架为研究对象,基于其在位使用状态下的动应力进行疲劳损伤与疲劳寿命研究。结合车辆运行状态数据,研究构架关键部位的损伤分布特征,分析构架疲劳损伤快速累积的原因。针对样本构架关键部位：计算其裂纹萌生寿命;基于雨流计数后的应力幅子样完成应力幅分布核密度估计;建立裂纹扩展模型,采用蒙特卡洛法与反函数法计算构架关键部位不同运行里程下的累积失效概率。结果表明,构架累积失效概率随运行里程增加而快速增加,裂纹萌生后对应于97.5%可靠度的运营里程为3万km;构架疲劳寿命为裂纹萌生寿命与扩展寿命之和,97.5%可靠度下为48.39万km。研究结果为进一步提升构架抗疲劳设计、优化转向架检修周期提供研究基础。     

多轴变幅载荷下基于载荷支配模式的缺口件疲劳寿命预测方法

提出一种多轴变幅载荷下基于载荷支配模式的缺口件疲劳寿命预测方法。首先,通过循环计数方法确定多轴变幅载荷历程的计数循环(反复);其次,通过材料的循环应力应变关系和Neuber法推导出虚拟等效应变与真实等效应力之间的关系,并且分别将拉伸型和剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数替换虚拟等效应变幅来求解临界面上的真实等效应力幅;然后,通过真实等效应力幅和Neuber法则计算临界面上真实的拉压和剪切等效应变幅,并运用Manson-Coffin方程分别计算缺口部件的拉压和剪切疲劳寿命;最后,选择拉压和剪切疲劳损伤值中的较大值作为每个计数反复的疲劳损伤,并采用Miner法则进行疲劳损伤累积。缺口件多轴疲劳试验结果表明,采用基于载荷支配模式的缺口件疲劳寿命预测方法具有较高的预测准确度。     

考虑疲劳本构随机性的结构应力疲劳可靠性分析方法

提出考虑疲劳本构关系随机性的结构应力疲劳可靠性分析方法。视循环本构模型的材料常数为相关随机变量,考虑存活概率和置信度2个概率测度,与疲劳试验有机结合,应用极大似然原理建立随机疲劳本构的概率模型。随机疲劳强度即概率S－N关系也用2个概率测度下表征,并考虑从中短到长寿命阶段的可能工程实践范围。基于载荷史服从疲劳本构关系产生随机应力载荷、给定寿命时概率S－N关系揭示结构强度分布的观点,建立随机应力载荷—强度干涉可靠性分析模型,可实现任意概率水平的可靠性寿命预测和可靠度评定。中国铁路货车RD2型车轴的可靠性寿命预测和可靠性评定,说明了方法的有效性。