Numerical Simulation on the Creep Damage Evolution of Nickel-Based Single Crystal Specimens with Slant-Angled Film Cooling Holes

针对含不同倾角气膜孔的镍基单晶试件的蠕变损伤发展进行了数值模拟,研究了倾角对蠕变特性的影响。气膜孔的倾角分别为0°,15°,30°和45°。结果表明,倾角不同,气膜孔周围的分切应力分布也不同。当倾角为0°,15°和30°时,裂纹扩展方向为θ=±54°,而当倾角为45°时,裂纹沿着θ=±46°的方向进行扩展。倾角为30°的试件有最长的失效寿命。在气膜孔周围的高应力区,分切应力、Mises等效应力和沿拉伸方向的应力σ11均出现了应力松弛现象,且随着时间的延长,应力都达到了稳定值。此外,倾角也影响着蠕变损伤的分布,当倾角为0°,15°,30°和45°时,最大损伤点分别出现在与水平方向成0°,0°,13°和26°的位置。     

单轴加载下含共面双节理双层复合类岩试样的力学行为与破坏特征（英文）

为研究节理与层理面对裂隙层状岩体裂纹演化的共同作用,对不同层理面倾角下,含多角度共面双节理的双层复合类岩试样进行单轴压缩试验和数字图像相关试验。由试验结果可知,层理面和节理对应力-应变曲线特征和强度参数有显著影响。试件的破坏模式分为4种不同类型。层理面的存在抑制了岩桥区域裂纹的贯通,层理面倾角的变化对裂纹扩展路径和破坏模式的转变有较大影响。对于层理面倾角为30°和45°的试件,节理倾角越大,层理面对试件破坏特征的影响越小。此外,观测到一种从层理面上萌生并且更容易在试件上层扩展的拉伸裂纹。     

不同孔间距下镍基单晶叶片气膜孔弹塑性行为研究

气膜冷却作为一重要的热防护技术广泛应用于涡轮叶片中,但是气膜孔的引入破坏了叶片的结构完整性,成为裂纹形核的重要区域。将镍基单晶叶片前缘气膜孔简化为平板模型,基于晶体塑性理论分析了多孔干涉下气膜孔的弹塑性力学行为,分析了孔边分切应力的分布规律;并比较了不同横向、纵向间距对气膜孔弹塑性行为的影响。结果表明多排气膜孔间存在着明显的应力干涉,高应力区出现在相邻两列气膜孔孔心连线区域,低应力区出现在同列气膜孔之间,呈现菱形分布。孔边八面体、十二面体、六面体滑移系均开动,最大分切应力出现在夹角0o/20o/30o的位置上;横向孔间距增加,孔边应力降低;纵向孔间距增加,孔边应力增加。六面体滑移系分切应力对载荷、孔间距变化最为敏感。     

GH4169合金不同孔形气膜冷却孔疲劳性能对比分析

气膜冷却孔是航空航天高温部件常见冷却设计,但属于典型结构疲劳危险点。为了优化气膜冷却孔热-机械性能,本研究通过疲劳试验和有限元建模分析,研究GH4169合金相同底孔尺寸下的气膜冷却孔疲劳性能。研究表明：相同底孔直径下,90°圆孔疲劳寿命远低于倾斜圆孔、扇形孔和扇形后倾孔;相同孔倾角下,孔形对疲劳寿命影响较小;90°圆孔发生单断口疲劳断裂,断口与加载方向基本垂直,而倾斜圆孔、扇形孔、扇形后倾孔在孔根部附近发生疲劳断裂,断口向孔轴方向倾斜,除主断口外在孔根部均出现亚断口;90°圆孔断口疲劳裂纹在孔壁中间萌生,而倾斜圆孔和扇形孔疲劳裂纹在孔口部位萌生,且呈现多源萌生特征;裂纹萌生区平整光滑,随着裂纹扩展断口表面韧窝明显增多;孔轴倾角和孔口形状对孔周应力分布及最大应力水平具有显著影响。     

玻璃钢材料损伤的声发射特性

对纤维铺设方向为0°,90°,±45°的玻璃钢试件进行拉伸和弯曲过程中的声发射在线监测试验。结果表明:纤维铺层角度是决定玻璃钢力学特性和损伤规律的主要因素,拉伸、弯曲力与幅度灰色关联度均可达0.861以上,可依据信号的幅值等参数判断试件的不同损伤阶段;试件损伤产生的4种典型声发射信号在波形及频谱上存在明显差别。     

疲劳裂纹扩展机制和塑性区的研究

本文用三点弯曲试样测定15MnVN钢在淬火和200℃低温回火状态下疲劳裂纹扩展速率。试验在循环载荷比R=0.5的恒幅条件下进行,并利用金属塑性变形在光滑表面上产生浮凸的现象,用相衬显微镜测定裂纹顶端单调塑性区尺寸。在平面应力状态下垂直于裂纹面方向的单调塑性区尺寸与相应的(K_(max)/σ_s)~2成正比,其比例系数为0.21。根据Rice循环塑性区尺寸与单调塑性区尺寸关系,得到垂直裂纹面方向的循环塑性区尺寸与相应裂纹扩展速率之间为一指数关系。在裂纹扩展过程中,相对裂纹尺寸a/W约等于0.687时裂纹顶端从小范围屈服进入大范围屈服;a/W<0.687裂纹顶端的塑性变形约在θ=30—60°方向角内向两翼伸展;当a/W>0.687,不仅两翼向更大的θ角展开,而且在θ=0°附近塑性变形也有相当发展。金相和扫描电镜观察结果,具有板条状马氏体组织的15MnVN钢疲劳裂纹扩展是以穿晶型的解理开裂方式进行的,是一种再生核扩展机制。     

FeNiCu合金中位错对微裂纹扩展影响的分子动力学研究

采用分子动力学方法研究了FeNiCu合金在单轴应力加载下的微裂纹扩展行为。分析了相对于裂纹不同角度位置的位错对微裂纹扩展的影响。结果表明,在微裂纹扩展过程中,裂纹在尖端主要的变形机制为滑移带和位错,裂纹尖端在滑移方向<110>发射位错。随着位错的连续增殖,位错密度逐渐增大,形成位错塞积,导致产生位错针扎,微裂纹沿此方向进行扩展。而预设不同滑移方向的位错对微裂纹扩展存在阻碍作用,在位错阻碍效果失效前,当位错相对位于裂纹30°时对裂纹的扩展运动阻碍效果最大,45°次之,60°最小。其中30°位错的滑移方向与裂纹的滑移方向垂直,且应力峰值最大,表示拉伸需要的外应力最大,表现出的阻碍效果最明显。这种抑制微裂纹扩展的效果越强,在裂纹尖端的应力集中现象越明显。而在抑制作用失效后,缺陷处会释放大量势能,使裂纹快速扩展,对材料造成破坏。     

基于XFEM的异型坯表面裂纹扩展模拟研究

针对异型坯生产中出现较多表面裂纹的问题,在前期铸坯凝固过程热力行为研究基础上,提取凝固坯壳的温度与应力数据,使用扩展有限元方法,结合材料损伤力学、子模型技术模拟预制表面裂纹的扩展情况。研究结果表明:在裂纹尖端区域出现应力集中,应力值明显高于无裂纹位置;当应力集中区域最大主应力达到临界值时单元开裂,裂纹扩展。R角处预制纵裂纹扩展量最大,与拉坯方向呈75°、45°裂纹次之;预制表面横裂纹在沿横向扩展一个网格后扩展方向出现弯折,裂纹最终扩展方向均为沿纵向。     

基于纳米压入法AZ31轧制镁合金的蠕变行为研究

采用纳米压入法对AZ31轧制镁合金蠕变性能的各向异性行为进行了研究。采用连续刚度测试原理对沿轧制方向0°、30°、45°、60°以及90°的AZ31轧制镁合金板材进行纳米压入试验，基于Nix-Gao理论获得材料去除尺度效应的不同取向硬度值，并对材料5个方向的保载阶段蠕变行为的各向异性进行分析。结果表明，与宏观拉伸-压缩试验结果相似，基于纳米压入得到的不同取向AZ31轧制镁合金硬度值表现出明显的各向异性，蠕变应力指数沿着轧制方向的角度增大呈现增大趋势，0°和30°的蠕变应力指数分别为1.5和1.4,此时蠕变机理为扩散蠕变和晶界滑移协调作用。45°、60°和90°取向的蠕变应力指数分别为2.1、2.0和2.2,这3个取向的蠕变过程为晶界滑移为主导。     

基于磨粒流处理高涡工作叶片振动疲劳断裂损伤行为研究

高涡工作叶片在电火花和大功率飞秒激光制孔状态下孔边存在重熔层和棱状痕迹等缺陷,磨粒流可有效去除重熔层和改善孔边导圆。对通过磨粒流处理前后的模拟件和叶片的振动疲劳性能和断裂损伤行为进行对比研究,结果表明：叶片高温振动疲劳失效位于叶根一弯应力较大区,磨粒流处理前后并未改变结构应力。磨粒流处理后,叶片裂纹起源发生改变,由原来的气膜孔内壁入口侧角源和孔壁中部制孔缺陷小线源,转变为仅从气膜孔内壁入口侧角源,且孔边存在导圆,改善局部应力,提升叶片高周疲劳可靠性;磨粒流处理前后裂纹扩展方式相似,均为裂纹萌生后沿叶片厚度和叶宽方向斜向45°扩展,与单晶材料或板型试样振动疲劳扩展方式相同,之后沿着前缘、尾缘、加强筋多向扩展,扩展前期呈类解理特征,扩展中后期可见较宽的疲劳条带。     

镍基单晶铸造气膜孔低周疲劳断裂特征研究

气膜孔结构作为一种重要的热防护技术广泛应用于涡轮叶片中。气膜孔的存在会引入制造缺陷、应力集中等不利因素,成为疲劳失效的主要诱因之一。本研究开展不同温度下镍基单晶铸造气膜孔低周疲劳试验,分析熔模铸造直接成型的气膜孔疲劳断裂特征。结果表明:不同温度下疲劳寿命取决于应力幅值;随温度降低,疲劳断裂路径由Mode-I型转换为晶体学平面断裂,断口形貌呈现出从类解理至韧性断裂特征。气膜孔周围微结构分析表明,在1000 ℃及循环应力作用下,氧化膜发生破裂形成氧化裂纹;在700 ℃条件下,疲劳裂纹形核主要由滑移累积导致;在850 ℃条件下,疲劳损伤由氧化损伤和滑移累积共同作用。晶体塑性有限元分析揭示铸造气膜孔疲劳断裂特征主要受气膜孔附近应力分布的影响。     

DD6单晶合金气膜孔薄壁平板高温持久性能

在980℃/300 MPa条件下,对带气膜孔与无气膜孔的DD6单晶合金薄壁平板试样进行高温持久试验研究与有限元对比计算。结果表明:在相同名义应力条件下,带孔试样的高温持久寿命比无孔试样的高温持久寿命低,分别为69、90 h,气膜孔的存在破坏了试样的几何连续性,导致气膜孔周围应力集中为主要因素。通过断口宏、微观观察发现,无试样的断裂方式为微孔聚集型断裂,断口上分布着大量方形小平面特征;而带孔试样由于气膜孔改变了试样中的应力分布,在气膜孔附近产生了应力集中,当裂纹扩展至试样边缘,试样被瞬间剪断。基于晶体塑性理论建立了蠕变模型,将其编入ABAQUS的UMAT子程序中对带气膜孔和无气膜孔薄壁平板试样分别进行模拟分析,模拟结果显示与试样的断裂位置及形貌吻合,在工程应用条件下该模型是能用于薄壁平板的高温持久断裂寿命的预测。     

单晶冷却叶片气膜孔附近的蠕变持久寿命分析

从单晶冷却叶片中取出一个包含气膜孔的单胞模型,在流体和传热分析的基础上,给出了含气膜孔模型的气动载荷和温度分布.建立了一个晶体有限元模型,根据不同取向的蠕变参数,对单胞模型进行蠕变及持久寿命分析.结果表明,气膜孔附近存在一个明显的温度梯度.温度梯度使模型的位移和等效应力的分布产生梯度.温度梯度对气膜孔周围蠕变持久寿命的影响比较大,且对[111]取向的蠕变持久寿命的影响要大于[001]方向.     

镍基单晶气膜孔模拟试样的低周疲劳断裂机理

采用镍基单晶合金DD6带不同数量激光加工气膜孔的薄壁平板模拟试样,对其在900℃下的低周疲劳性能进行了研究,并对试验数据和断口的SEM形貌进行了分析。结果表明:在相同的试验条件下,气膜孔的数量对低周疲劳的寿命影响很大,单孔试样的寿命约为密排多孔试样的10倍;气膜孔周围存在大量微裂纹,带气膜孔试样的破坏属于典型的多源断裂;对于单孔试样及密排多孔试样的中间孔,裂纹沿{001}面扩展;密排多孔试样的上下2排气膜孔周围的裂纹沿多个滑移面扩展。     

安装角度对交叉孔试件振动抛磨效果的影响分析

为探究试件安装角度对交叉孔转接部位抛磨效果的影响,基于离散单元法对交叉孔试件振动抛磨加工工艺进行仿真分析。研究发现：与安装角度为0°,90°时相比,安装角度为45°时,交叉孔转接部位的加工均匀性较好,且转接部位磨损深度的最小值大于安装角度为0°,90°时磨损深度的最小值。基于单因素试验方法,采用ZLC100卧式振动抛磨设备对不同安装角度的交叉孔试件进行抛磨加工试验。结果表明：与安装角度为0°,90°时相比,安装角度为45°时,交叉孔转接部位毛刺的去除效果较好,转接部位倒圆角效果较明显,测得转接部位圆角半径在0.3～0.7 mm范围内,大孔和小孔内侧表面8个区域表面粗糙度归一化值R_a^*有明显的下降趋势,试验得到的结论与仿真分析的结论相符合。     

单晶合金中孔洞对蠕变行为的影响

通过对有/无缺陷单晶镍基合金蠕变性能测试、组织形貌观察及采用有限元对近孔洞区域的应力场分析,研究了组织缺陷对单晶合金蠕变行为及组织演化的影响。结果表明:组织缺陷可明显降低单晶镍基合金的塑性和蠕变寿命。在高温蠕变期间,近孔洞区域的应力等值线具有碟形分布特征,并沿与施加应力轴成45°角方向有较大值,该应力分布特征可使合金中γ′相转变成与施加应力轴成45°角的筏状结构,并使圆形孔洞沿应力轴方向伸长成椭圆状。蠕变期间,在合金圆形孔洞缺陷的上、下区域具有较小的应力值,而在圆形孔洞的两侧极点处具有最大应力值,随蠕变时间延长,应力值增大,促使裂纹在该处萌生,并沿垂直于应力轴方向扩展是降低合金蠕变寿命的主要原因。     

高温蠕变下表面多裂纹扩展行为

文中将蠕变损伤模型编写到USDFLD用户子程序中,利用有限元分析软件ABAQUS,通过单元失效技术模拟了表面多裂纹干涉条件下裂纹扩展行为.探究了不同裂纹尺寸、残余应力对高温蠕变表面多裂纹干涉效应及裂纹扩展行为的影响.结果表明,表面裂纹形状比、裂纹深度的增大和裂纹间距离的减小,加强了表面多裂纹之间的干涉效应并促进多裂纹的扩展,而残余应力的存在同样加速了裂纹扩展.基于裂纹扩展速率提出了蠕变下表面多裂纹合并准则,即当蠕变干涉因子超过1.27,应当考虑多裂纹的合并,否则多裂纹仍按照单裂纹处理.     

基于ABAQUS的某无人机机翼肋板裂纹扩展仿真

采用Python语言对ABAQUS进行二次开发,实现了对无人机机翼肋板裂纹扩展的模拟。试验将机翼肋板简化为二维平板结构,在肋板与梁的连接处放置裂纹,模拟不同初始角度的裂纹的扩展过程。结果表明:裂纹的扩展形态、扩展过程中的应力强度因子和裂纹扩展角的变化规律,与裂纹的初始角度有密切的关系;可分为两种情况:当裂纹初始角度为50°~70°时,裂纹沿着初始方向向前扩展,不发生方向的改变;当裂纹初始角度为-70°~40°时,裂纹最终向着翼肋的下表面扩展。该结果对研究机翼肋板裂纹的止裂以及裂纹扩展速率等有一定的参考价值。     

钢轨表面裂纹扩展方向研究

目的研究钢轨表面裂纹的扩展方向。方法采用有限元分析软件ANSYS,在不同轴重和不同角度裂纹的工况下,获得不同裂纹位置的应力强度因子。结果裂纹在接触斑边缘的位置时,应力强度因子K最大。随着轴重的增加,应力强度因子KI和KII均增大;随着裂纹角度的增加,KI增加,而KII减小。当裂纹角度为60°时,其等效应力强度因子幅值ΔKeff最大。结论钢轨表面的裂纹在扩展初期,以斜裂纹为主,扩展角度趋向于60°。     

一种镍基单晶合金的中温蠕变断裂机制

通过对一种镍基单晶合金进行中温不同应力条件下的蠕变性能测试及组织结构与断口形貌观察,研究了合金在蠕变期间的损伤及断裂机制。结果表明:合金在蠕变后期的变形机制是主、次滑移系的交替开动,主/次滑移系的多次交替开动,可在两滑移系交错区域的γ′/γ两相界面萌生裂纹;随蠕变进行,沿与应力轴垂直的γ′/γ两相界面发生裂纹的扩展,形成与<110>方向平行的正方形解理面,其中,裂纹在(001)面沿<110>方向扩展,与{111}二次解理面相截时,可终止裂纹扩展。这是使(001)解理面具有四方形特征的原因。由于蠕变期间在不同横断面发生多个微裂纹扩展,并在裂纹尖端沿较大剪切应力方向形成撕裂棱或发生二次解理,使多个裂纹连通,直至发生蠕变断裂。这是使合金蠕变断口呈现凹凸不平多层次解理特征的主要原因。