基于弹塑性解析方程的薄片试样低周疲劳试验方法

针对薄片漏斗试样,基于能量密度等效和量纲分析,提出了移幅-载荷幅关系(Relation between displacement-amplitude and load-amplitude, RDL)半解析方程;能量密度等效代表性体积单元(Representative volume element, RVE)的循环等效应力幅、等效应变幅(Cyclic equivalent stress-amplitude and strain-amplitude, CESS)解析方程;漏斗根部材料RVE单轴应变幅(Uniaxial strain-amplitude of material RVE at funnel root, US-R)半解析方程;材料与几何普适的薄片试样低周疲劳试验新方法。针对5种几何尺寸和13种预设材料组合的18种试样工况进行有限元分析,及对G115和16Mn进行薄片试样低周疲劳试验,结果表明,CESS解析方程预测的薄片漏斗试样等效应力幅-应变幅曲线与有限元预设曲线密切吻合,且新试验方法得到的G115和16Mn循环等效应力幅-应变幅关系和Manson-Coffin律与标准圆棒试样低周疲劳试验结果密切吻合。     

超临界温度下Inconel 617B的力学行为

针对Inconel 617B合金,分别完成了常温、700℃下单轴拉伸试验和等幅应变疲劳试验。基于漏斗试样有限元辅助测试(Finite-element-analysis Aided Testing,FAT)新方法获得了Inconel 617B合金在两种温度下直至破坏的单轴拉伸真实应力-应变试验关系,给出了材料临界破断应力、破断应变、应力应变描述新方程与参数;研究了两种温度下Inconel 617B合金的循环应力演化行为、循环本构关系、应变幅与寿命关系和超超临界服役温度效应。研究结果表明,超超临界温度使Inconel 617B合金的弹性模量、屈服强度、极限强度、临界破断应力、破断应变和试样颈缩后漏斗根部横截面中心点应力三轴度等力学性能降低显著;提出的真实应力-应变关系新方程对FAT获得的结果曲线描述良好;有限元辅助分析得出,试样漏斗根部横截面中心的应力三轴度最大,700℃下破断时最大应力三轴度远低于常温结果;Inconel617B合金在两种温度下均表现出明显的循环硬化特征,超超临界温度使得Inconel 617B合金的循环稳定寿命比例明显减小、抗疲劳性能显著降低;Manson-Coffin模型可良好描述两种温度下Inconel 617B合金的低周疲劳试验寿命结果。     

名词解释

循环应力应变曲线在低周疲劳试验中,经过一定次数的循环后,应力应变的变化趋于稳定,迟滞回线接近于封闭环的应力-应变曲线。应力-寿命曲线在疲劳试验中,得到的各应力σ及其相应的寿命N之间关系的曲线;在低疲劳试验中,得到的各应力σ及其相应的寿命N之间关系曲线,这两条曲线统称S-N曲线。尺寸系数除试样尺寸外其他情况均相同时,非标准尺寸试样的疲劳极限与同材料标准尺寸试样的疲劳极限之比值。载荷谱将实测的载荷-时间历程舍去小载荷,进行简化及处理后得到的用于疲劳试验的加载谱。     

核级管道不锈钢316LN的低周疲劳特性研究

在室温下,对核级管道不锈钢材料316LN试样进行了不同应变幅的低周疲劳试验研究,得到了316LN试样的循环应力-应变响应特征及低周疲劳寿命曲线。基于疲劳过程中、不同应变幅水平下,循环应力-应变迟滞回线的试验结果,分析了应力峰值、谷值和循环弹性模量随疲劳循环数的变化规律,研究了316LN试样的疲劳特性和疲劳寿命曲线特征,并与ASME疲劳设计曲线进行了对比。试验结果表明,试样初始循环表现出循环硬化,随后表现出循环软化直至失效;初始前10%疲劳寿命期内循环弹性模量缓慢下降,然后几乎保持不变,在达到80%～90%寿命后开始下降; Basquin和Manson-Coffin公式可以很好地描述0. 2%～0. 7%应变幅范围内的应变-疲劳寿命曲线。     

30Cr2MoV汽轮机转子钢的低循环疲劳特性

本文主要研究了30Cr2MoV 转子钢在不同温度下应变控制的恒幅低循环疲劳特性,测定了表征材料低循环疲劳特性的各基本参量。给出了材料的真应变和循环寿命;虚拟应力和循环寿命以及循环条件下的应力—应变关系,并对影响低循环疲劳寿命的因素进行了分析,从而为使用该材料的调峰机组汽轮机转子的疲劳设计和寿命管理提供重要依据.     

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。     

30Cr2MoV汽轮机转子钢的低循环疲劳特性

本文主要研究了30Cr2 MoV 转子钢在不同温度下应变控制的恒幅低循环疲劳特性,测定了表征材料低循环疲劳特性的各基本参量,给出了材料的真应变和循环寿命、虚拟应力和循环寿命以及循环条件下的应力一应变关系,并对影响低循环疲劳寿命的因素进行了分析,从而为使用该材料的调峰机组汽轮机转子的疲劳设计和寿命管理提供重要依据。     

面心立方晶体单晶材料多轴低周疲劳寿命的估算方法

用立方晶体单晶材料的等效应变和等效应力作为参量,考虑正交各向异性材料偏轴受载时存在正应力和切应力的耦合效应,引入k参量描述非对称循环载荷对疲劳寿命的影响,建立工程上实用的幂函数形式的面心立方晶体单晶材料多轴低周疲劳寿命预测模型.将立方晶体单晶材料屈服准则及其弹塑性本构模型集成到ANSYS软件中,对DD3单晶合金在680℃温度下的低周疲劳缺口试样进行非对称载荷循环应力应变分析.对不同的模型参量进行多元回归相关分析,发现用立方晶体单晶材料等效应变和等效应力作为模型参量拟合的回归曲线的相关系数最大,κ参量与循环次数之间呈幂函数关系.利用CMSX-2镍基单晶合金薄壁圆筒试样的拉一扭循环载荷低周疲劳试验数据和DD3镍基单晶合金缺口试样的低周疲劳试验数据对模型进行验证,试验所得数据分别落在2.5倍和2.0倍偏差分布带内.     

镍基合金GH536材料高温低循环疲劳特性研究

对镍基合金 GH5 36材料在三种不同温度下的低循环疲劳特性进行了研究。给出了材料的应变 -寿命关系和应力应变关系。讨论了材料的疲劳特性随温度的变化。结果表明 ,在中等应变幅值之下 ,材料的疲劳寿命随温度的增加而降低     

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。     

P92钢的高温低周疲劳行为及寿命预测

采用RPL50型动蠕变试验机对P92钢进行630℃和不同应变幅下的低周疲劳试验,研究了P92钢的高温低周疲劳行为;基于塑性应变能密度与硬度、应力幅和低周疲劳寿命的关系,采用基于能量的硬度法对其低周疲劳寿命进行预测,并与试验结果进行对比。结果表明:P92钢是一种循环软化材料,其初始归一化应力幅随应变幅的增加而增加,且不同应变幅下的归一化应力幅均随循环周次的增加而降低;随着应变幅的增加,弹性应变幅保持稳定,塑性应变幅近似线性增加,软化率也相应增加,并最终稳定在0.3左右;硬度与应变幅满足良好的线性关系;基于能量的硬度法可以较准确地预测P92钢在630℃时的高温低周疲劳寿命,计算得到的预测寿命均位于试验寿命的±1.5倍标准偏差内。     

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。     

核电用接管安全端308L焊缝金属高温低周疲劳性能研究

在300℃高温环境下研究了核电用接管安全端308L焊缝金属的低周疲劳性能,获得了308L焊缝金属材料的循环应力-应变曲线及低周疲劳寿命曲线。基于疲劳过程中不同应变幅水平下循环应力-应变滞回环的试验结果,分析了应力峰值随疲劳循环数的变化规律,绘制了308L焊缝金属材料疲劳寿命曲线,并与ASME疲劳设计曲线进行对比,最后分析了308L焊缝金属的疲劳断口。试验结果表明,材料在高温条件下表现出循环软化直至失效; Basquin和Manson-Coffin关系可以很好地描述0. 3%～1. 0%应变幅范围内的应变-疲劳寿命曲线; 308L焊缝金属低周疲劳裂纹呈凸形扩展,并伴随有疲劳辉纹和二次裂纹出现。     

长管拖车气瓶用4130X钢的应变疲劳特性及寿命预测

研究了长管拖车钢制无缝气瓶用材料4130X在4种不同应变幅控制下的低周应变-疲劳特性,分别对其循环应力-应变关系、应力-应变迟滞回线及疲劳寿命预测等进行研究,着重分析4130X钢的疲劳循环软化行为,提出了考虑循环软化作用的疲劳寿命预测修正模型。     

多轴随机应变加载下铝合金缺口件有限元分析及寿命预测

在应变控制下对7075-T7451铝合金实心棒带U型环状缺口试件进行拉—扭比例、非比例恒幅和随机加载疲劳试验。查明名义剪切应力最大值与轴向应力最大值的下降规律,并用两者最先开始下降时的循环数比值来评估裂纹萌生寿命。利用弹塑性有限元法分析不同加载条件下试件缺口根部的循环应力、应变响应。基于有限元计算得到的应力、应变结果,采用拉伸型多轴疲劳损伤模型预测随机加载条件下缺口试件的疲劳裂纹萌生寿命,计算结果与试验得到的寿命比较吻合。     

用局部应力—应变法预测大型波纹管膨胀节寿命的有限元程序的研究

本文把弹塑性有限元法与材料的应变──寿命理论结合起来计算膨胀节的低循环疲劳寿命，即利用弹塑性有限元分析波纹管的最大应力应变（局部应力应变），根据局部应力应变利用奥氏体不锈钢材料的应变──寿命关系计算出波纹管的疲劳寿命。本文同时编写了该方法的Fortran计算程序，利用该程序可以比较准确地计算出膨胀节的低循环疲劳寿命。本文还把计算结果与膨胀节实测结果进行比较，证明了该方法是一种行之有效的估算膨胀节寿命的工程方法。     

椭圆方程式的多轴疲劳寿命预测模型

建立一种椭圆方程式的多轴常幅疲劳寿命预测模型,该模型采用临界平面概念,以临界平面上的最大切应变幅和法向应变程作为基本参数,并引入最大等效应力来考虑非比例循环附加硬化的影响。对该模型的理论分析表明,在单轴拉伸及单轴扭转应力状态下该模型能退化为常规的疲劳应变寿命模型,具有很好的兼容性。采用现有的304不锈钢和S45C钢材料的多轴疲劳试验数据对该模型及其他几种经典的多轴疲劳寿命模型进行寿命预测分散带及标准差的对比,结果显示该疲劳寿命预测模型的寿命分散带和标准差最小。分析表明,所建立的疲劳寿命预测模型可同时适用于多轴比例与非比例循环加载,且具有较小的寿命分散带和标准差,预测精度高,材料适用范围较广,计算方便可行。     

5083H111轧制铝合金的低周疲劳行为

在室温下对5083H111轧制铝合金板三个典型方向——轧制方向(RD方向)、与轧制方向成45°角方向(MD方向)、垂直于轧制方向(TD方向)的试样进行了单轴对称应变控制的低调疲劳试验,研究了不同方向试样的循环变形行为和疲劳寿命差异。结果表明:铝合金板在三个方向上都表现出了明显的循环硬化特性,即在恒定的应变幅下,三个方向的响应应力幅均随着循环次数的增加而增大,并且外加应变幅越大,响应应力幅也越大;三个方向的低周疲劳ε-Nf曲线差别不明显;三参数幂函数寿命模型可以很好地预测5083H111铝合金的低周疲劳寿命。     

基于应力三轴度的材料颈缩和破断行为分析

表征应力状态参量的应力三轴度是控制材料断裂模式的关键因素,所以应力三轴度作为影响材料的断裂因素而被引入到众多失效模型中。利用有限元辅助测试(Finite element Aided Testing,FAT)方法来获取材料等效全程单轴本构关系,进而获取漏斗型试样在拉伸过程中根部截面上的应力三轴度演化情况,并同根据Bridgman应力修正后的单轴本构关系得到的应力三轴度分布进行了对比分析。结果表明,基于Bridgman应力修正得到的应力三轴度与有限元计算结果相差较大。基于应力三轴度分析,讨论了漏斗型试样的破断机理,给出了四种延性材料的等效全程单轴本构关系、破断应变、破断应力和漏斗根部截面的应力三轴度分布随截面中心von Mises等效应变的变化规律。     

锆合金薄片材料高温低周疲劳试验技术

提出了一套适用于1-2mm厚度小试样高温低周疲劳的试验方法，包括薄片漏斗小试样与二次夹具合理设计、MTS引伸计改进、MTS TestStar Ⅱ PID优化、径向应变向轴向应变换算方法以及泊松比测量方法。对Zr-4合金完成了常温与400℃高温下单轴材料性能试验，给出了Zr-4合金的常规特性参数和弹塑性泊松比并讨论了温度效应。