含孔复合材料层合板的疲劳寿命研究

建立了三维有限元模型,分析了复合材料层合板的应力场。使用修正Hashin失效准则判定复合材料的失效模式,并突降失效单元的材料性能。疲劳载荷引起复合材料刚度降和强度降依靠缓降模型实现。笔者将突降模型和缓降模型植入有限元模型中,模拟了复合材料层合板在拉伸和压缩疲劳载荷下的渐进损伤过程,并计算了层合板的纵向刚度损伤和疲劳寿命。层合板的纵向刚度损伤具有三阶段特点,与试验观察是一致的。层合板疲劳寿命预测值与试验值吻合地很好。     

复合材料层合板疲劳寿命的可靠性分析

基于唯象的剩余强度衰减模型与蔡－希尔静强度判据,建立单向层合板在任意复杂面内应力作用下的疲劳失效准则。利用蒙特卡洛模拟方法计算层合板的疲劳寿命,并对其进行可靠性评估。根据Ｔ３００／ＱＹ８９１１的三种典型层合板［０］１６、［９０］２４和［±４５］３Ｓ的拉—拉疲劳试验结果,利用蒙特卡洛模拟方法计算层合板的疲劳寿命,结果表明寿命服从Ｗｅｉｂｕｌ分布。     

复合材料层合板冲击后疲劳寿命试验研究与数值模拟

通过对复合材料典型层合板进行落锤冲击试验引入冲击损伤,并对冲击后的复合材料层合板进行不同载荷水平的压-压疲劳试验,得到了不同疲劳载荷作用下层合板损伤扩展规律及疲劳寿命。建立了冲击后层合板疲劳寿命有限元数值计算模型,对层合板进行冲击仿真,并利用有限元软件用户子程序编程,将冲击后计算所得损伤分布结果设置为层合板压—压疲劳寿命计算的起始状态,从而获得层合板在不同疲劳载荷水平下的损伤扩展结果及压—压疲劳寿命数值仿真结果。将试验与有限元数值计算疲劳寿命结果绘制了S-N曲线,通过对比验证了计算结果的准确性,形成一套复合材料层合板冲击后疲劳寿命预测数值计算模型。     

复合材料层合板疲劳载荷下固有频率衰减预测模型

基于层合板疲劳逐渐损伤理论结合经典层合板理论的本构模型,通过在ANSYS软件平台上编写APDL参数化子程序,预测了T300/970复合材料哑铃型疲劳试件的疲劳寿命及其各寿命阶段的固有频率.模拟所得的固有频率与试验曲线具有良好的一致性,表明所建立的模型可以有效预测T300/970复合材料在不同寿命阶段的模态特性.     

纤维环向缠绕复合材料气瓶冲击损伤容限研究

为研究纤维缠绕复合材料层CNG气瓶冲击后损伤容限问题,采用疲劳应变比率作为损伤变量,建立疲劳累积损伤模型;对气瓶缠绕层的冲击损伤剩余强度采用开孔等效计算方法,应用Nuismer—Whitney平均应力准则,关联疲劳累积损伤函数中的最大应力与拉伸载荷下的含孔层合板剩余强度的关系,建立适用于在疲劳载荷下的含孔层合板结构剩余强度的估算方法,用于复合材料CNG气瓶冲击剩余强度的预测。结果表明,文中提出的分析模型预测结果与专家提出的复合材料气瓶冲击损伤评定标准基本吻合。     

复合材料修补结构的疲劳寿命预测方法

针对复合材料修补结构应力分布复杂的特点,在剩余强度衰减模型的基础上引入局部应力应变法的分析思想,建立起复合材料修补结构的疲劳寿命预测模型.在剩余强度衰减模型和希尔提出的各向异性材料塑性条件基础上建立单向层合板在任意应力状态下的疲劳破坏准则.     

复合材料开孔层合板有限元网格划分方法研究

对复合材料开孔层合板有限元建模过程中网格划分方法进行量化研究。应用参数化的方法建立多种板宽孔径比、多种铺层比例的开孔层合板模型,逐级调整网格密度,计算单轴拉伸载荷作用下孔边最大应力集中系数。根据有限元结果,结合牛顿插值的数值计算方法,模拟出开孔层合板合理的网格密度划分方程。然后,对该网格划分方程下计算的数值解进行试验验证与解析解验证。结果表明,这种网格密度划分方程能有效地降低计算误差,可以在板宽孔径比大于3的复合材料开孔层合板的有限元计算中广泛使用。     

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.     

基于三维CDM的复合材料开口层合板失效分析

建立了复合材料层合板三维连续介质损伤力学模型,并将该模型应用于复合材料开口层合板的损伤破坏分析中。与相关试验中开口层合板强度和损伤破坏情况对比分析表明:本文模型能够有效地模拟开口层合板从初始损伤到完全破坏的全过程,具有较高的计算精度和良好的数值模拟收敛性。基于该模型,详细分析了在单向拉伸载荷作用下开口层合板不同铺层的损伤破坏情况。     

玻璃纤维层合板拉—拉疲劳特性研究

为研究高频率下玻璃纤维增强环氧树脂层合板的疲劳性能,在室温条件下进行静态拉伸试验和疲劳试验;通过观察断口形貌对玻璃纤维增强环氧树脂层合板断裂原因及机理进行研究;利用ABAQUS和nCode分析软件对层合板进行疲劳寿命数值模拟,并与试验结果作对比。结果表明:试样的拉伸性能和疲劳寿命曲线(S—N曲线)有两个主要分区:高周疲劳区和亚疲劳区,拉伸和疲劳断口形貌非常相似,断口平整且表现出典型的脆性断裂特征;试样疲劳循环次数随着平均应力的增大而减小;物理试验数值低于数值模拟结果,但两者变化趋势一致,这与数值模拟时分析模型和加载过程的理想化有关。研究结果可为复合材料疲劳寿命分析和工程测试提供参考依据。     

层压复合材料剪切疲劳寿命预估

将Iosipescu剪切强度测试方法推广到剪切疲劳试验.以碳纤维/树脂基T300/QY8911复合材料层压板为研究对象,对三种多向铺层试件进行剪切疲劳试验.用一种疲劳损伤累积模型和自行开发的有限元/疲劳寿命分析程序预测被试多向层压板的剪切强度,模拟局部疲劳失效演变的过程,给出疲劳寿命和剩余强度预估结果,比较两种静强度准则(Tsai-Hill准则和Puck修正准则)对预估结果的影响.寿命预测结果与试验结果基本相符.     

基于剩余强度退化规律的疲劳损伤非线性演化模型

通过对正火４５钢的试验数据分析,提出了一个反映剩余强度退化的对数表达式,给出对称恒幅应力循环下疲劳损伤的定义与表达式。该表达工能够反映损伤演化的非线性特性。进一步分析了随机应力循环下结构的疲劳损伤,导出损伤演化的递推公式,并结合大量的计算给出结构在应力块重复循环下疲劳寿命估算的一个近似方法。     

一种可用于复合材料寿命预测的非线性疲劳损伤累积模型

结合试验数据,提出了一种含有3个待定参数的非线性疲劳损伤累积模型,该模型能够描述复合材料结构疲劳损伤扩展3个阶段,即可以模拟初始循环载荷的损伤快速增长阶段、达到特征损伤状态时的缓慢增长阶段及断裂前损伤快速扩展的阶段。通过算例验证:本文模型与试验数据吻合性较好,可用于对复合材料结构疲劳寿命进行预测及损伤评估。     

Impact damage and hygrothermal effects on fatigue bending strength of orthotropy composite laminates

This paper focuses on fracture mechanisms experimentally based on the scanning acoustic microscope (SAM) when subjected to impact damages, i. e., foreign object damages (FOD), and also on the influence of impact damages and hygrothermals on residual fatigue bending strength of CFRP laminates. Composite laminates used in the experiments are CF/Epoxy orthotropy laminated plates, [0₄/90₄]_s. A steel ball launched by an air gun impacts on CFRP laminates to generate impact damages. Bending fatigue tests are periodically interrupted for a nondestructive evaluation (NDE) measurement of the progressive damages to build the fracture mechanism based on impact damages, and three-point fatigue bending tests are carried out to investigate the influence of hygrothermals on the effect of the residual bending fatigue strength of CFRP laminates.     

高速铁路钢轨剩余疲劳寿命预测研究

利用断裂力学理论建立高速铁路钢轨剩余寿命的预测模型;首先对特定线路上钢轨的动载弯曲应力、温度应力、残余应力进行计算,然后利用预测模型估算高速钢轨的疲劳剩余寿命,分析钢轨材料、列车速度系数、钢轨基础弹性系数对钢轨剩余寿命的影响。结果表明:相同营运条件下,U71Mn钢轨剩余寿命比PD3钢轨长;钢轨剩余寿命随列车速度系数的增加而降低,随钢轨基础弹性系数的增长而延长。     

泵阀箱材质自增强与疲劳强度研究

以内壁带“Ｖ”型缺口的厚壁圆环为对象,对两种高压泵阀箱常用钢４３ＣｒＮｉ２ＭｏＶａ、４２ＣｒＭｏＡ在自增强处理前后的疲劳寿命进行了理论分析与实验研究。首先用弹塑性有限元法计算了自增强后所形成的残余应力,发现自增强处理后在缺口根部所形成的残余应力有一最大值,有明显的残余应集中现象。     

残余应力对对焊接头疲劳性能的影响

利用线弹性断裂力学（ＬＥＦＭ）理论、迭加原理和有限元分析方法,就残余应力对对焊接头的疲劳性能的影响进行了理论分析。采用有限板中边界裂纹及中心穿透裂纹的Ｂｕｅｃｋｎｅｒ及Ｋａｎａｚａｗａ权函数,计算对应对焊接头中的各种残余应力分布的残余应力强度因子。建立了考虑不同残余应力水平影响的表面裂纹疲劳模型,估算对焊接头疲劳寿命及疲劳强度,并与试验数据进行比较验证。     

论渗碳钢中残余压应力的作用

本文研究结果表明,渗碳钢淬火形成的残余压应力对提高疲劳强度、多次冲击抗力、疲劳断裂韧性、宏观疲劳裂纹萌生与扩展寿命,降低疲劳缺口敏感性,和疲劳载荷抑制脆性等均起着主要的作用。表层材料强度或硬度与残余应力的相关性在于高的表层材料强度或硬度能减小残余应力的衰减,有助于发挥残余应力对疲劳性能的有利作用。长期以来对渗碳钢中微观组织和残余压应力作用的含混看法得到了澄清。     

喷丸强化残余应力对疲劳性能和变形控制影响研究进展

作为机械表面强化技术之一,喷丸强化使工件表层发生形变硬化,引入较高的残余压应力,减少了疲劳应力作用下微裂纹的萌生并抑制其扩展,从而显著提高零件的抗疲劳断裂和抗应力腐蚀开裂的能力。基于喷丸残余应力解析计算模型,从余弦函数模型、接触应力模型和球腔膨胀模型三个方面介绍喷丸强化残余应力的产生,进而对喷丸残余应力的仿真预测及影响规律进行论述。为了提高试件疲劳强度而引入的残余压应力会带来影响形位精度的变形,基于此阐述了喷丸残余应力对疲劳性能的影响及其在疲劳过程中的演化,同时论述了喷丸残余应力变形预测及控制的研究现状,最后对喷丸残余应力未来的研究内容与发展方向进行展望。     

考虑残余应力的螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法研究

考虑渗碳、磨齿、喷丸等工艺产生的齿面残余应力,建立齿面接触应力与残余应力的复合应力场,提出一种螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法。构建齿轮有限元接触分析模型,计算多轴交变接触应力场。考虑空间螺旋曲面残余应力分布的复杂性,将变曲率齿面离散为网状节点;测量各节点表面与次表面的残余应力,建立齿面残余应力场。基于Dang Van多轴疲劳准则,构建齿面裂纹萌生模型;计及残余应力与裂纹闭合效应,构建齿面裂纹扩展模型。计算复合应力场下齿轮接触疲劳寿命,研究残余应力对齿面裂纹萌生-扩展寿命的影响规律。结果发现：复杂齿面空间变曲率会影响喷丸等工艺产生的残余应力分布,中心区域的残余压应力高出齿面边缘区域约20%;复合应力场下齿面裂纹萌生位置与寿命主要取决于接触应力,残余应力会改变齿面节点平均应力进而影响疲劳寿命;齿面裂纹扩展寿命约占全寿命的10%,表征齿轮接触疲劳快速失效至迅速断裂。上述研究对于高性能齿轮传动的长寿命、高可靠性设计具有一定的参考价值。