基于低幅锻炼载荷的累积强化效果模型

根据汽车结构件在车辆运行过程中的受载特点,以汽车传动轴为对象,研究其在低幅锻炼载荷作用下的强度演变规律。通过对汽车传动轴光滑试样的低载强化效果试验,确定传动轴材料40Cr的低载强化应力区间,重点分析锻炼载荷幅值和加载次数对结构件剩余疲劳强度的影响,结果表明结构强度在一定条件下存在最佳的强化效果;并通过试验数据的正交分析与处理,拟合出强化或损伤效果与等效对称应力、加载次数的关系模型。进而以这一模型为基础,结合汽车传动轴工作的随机载荷谱,通过多级低幅载荷循环下强化和损伤强度的积分,建立传动轴在实际工作过程中的疲劳累积强化效果模型;并根据设计应力区间和最佳强化效果的应力区间的匹配,提出以低幅锻炼载荷的累积强化效果为目标的轻量化设计思路,为汽车结构件的轻量化设计提供理论基础。     

圆柱齿轮低载强化试验研究

采用实物物理试验的方法,研究了某轿车倒挡圆柱齿轮在低幅载荷作用下轮齿弯曲疲劳强度和疲劳寿命的强化特性,证实了低幅应力内存在一个强化载荷区域和最佳强化次数。经过低幅载荷强化,该齿轮轮齿的弯曲疲劳强度提高了3.97%,弯曲疲劳寿命提高了109%。在试验结果的基础上,得到了该齿轮轮齿弯曲疲劳强度、弯曲疲劳寿命随低载强化次数和强化载荷变化的函数关系。     

双向应力下传动轴材料的低载强化特性研究

以某汽车传动轴为对象,试验研究双向应力状态和给定的热处理工艺条件下材料试样的低载强化特性与规律。研究结果表明,双向应力下该材料试样仍然具有明显强化效果;经过最佳强化载荷和强化次数强化后,材料的疲劳寿命可以提高120%,疲劳强度提高大约14%;与单向应力状态下的低载强化特性相比,虽然双向应力状态下具有强化作用的强化次数和强化载荷、最佳强化次数和强化载荷有明显下降,但强化效果没有明显下降;最后就应力状态对低载强化特性影响的原因进行分析。     

疲劳强化和损伤过程中材料的剩余静强度研究

以某汽车传动轴的标准材料试样为对象,试验研究了强化和损伤过程中试样的剩余静强度的变化特征。试验结果表明:试样的剩余静强度随着疲劳强度的强化而增大,随着材料损伤程度的增大而减小;剩余静强度的变化趋势与疲劳强度的变化趋势基本一致;在最佳强化载荷和最佳强化次数下,剩余静强度变化的稳定性和规律性强,偏离最佳强化次数时,剩余静强度变化的规律性较差。     

谱载荷下加载次序效应定量评价的初步研究

通过对40Cr材料光滑试样进行不同加载次序的三级程序载荷疲劳试验,验证并分析了载荷作用次序对疲劳强度累积强化效果的影响。试验结果表明：按照载荷从小到大逐渐增加的次序加载时,锻炼载荷对疲劳强度的累积强化效果最大,并且与三级锻炼载荷分别独立作用时强化效果的叠加值接近;而在其他加载次序下,累积强化效果分别受到不同程度的影响。最后,通过对疲劳试验数据的统计分析,初步研究了谱载荷下加载次序对总体累积强化效果的修正系数,并对之前建立的随机载荷下累积强化效果模型做出了修正,为建立考虑低载强化效应的疲劳累积理论进行了探索。     

基于低载强化特性的疲劳寿命估计方法

准确地估计疲劳寿命对于汽车零部件的可靠性和轻量化设计具有重要的作用。但由于现有疲劳寿命估计方法认为载荷仅对零件造成损伤,导致工作载荷下基于传统疲劳寿命预估方法得到的疲劳寿命较为保守。大量研究结果表明,疲劳极限以下载荷对零件疲劳强度的强化作用。以碳钢低载强化特性为基础,基于Miner准则,提出一种考虑低载强化效果的简化的疲劳寿命预估方法。该方法将疲劳寿命预估分成两个阶段,在不同的阶段分别考虑低幅载荷的强化和损伤。通过对强化效果与强化载荷和强化次数的关系进行线性简化,简化了疲劳寿命的计算过程。以轿车扭杆梁后桥为对象,通过采集试车场道路下的工作载荷,利用该方法和Miner准则对后桥进行疲劳寿命估计,并通过道路载荷模拟技术对后桥进行试验验证。结果表明,该方法具有较高的精度。     

基于低载强化的悬架弹簧耐久性评价

以某轿车后悬架弹簧为对象,研究室内快速耐久性试验与耐久性里程之间的关系,对悬架弹簧的耐久性进行评价。将低载强化理论引入某试车场强化的比利时路面载荷谱组合谱的损伤分析过程中,处于低载强化区间内的载荷提高了零件疲劳强度,根据由此得到新的S—N曲线统计损伤,再结合室内等幅加载疲劳试验,建立室内外试验的当量关系。用传统修正Miner理论与低载强化理论分别对室外耐久性载荷谱进行损伤估计对比分析,验证弹簧的耐久性分析中低载强化的贡献大小。     

低幅载荷对汽车前轴疲劳寿命影响的试验研究

为了探讨基于载荷特性的汽车结构件轻量化设计理论与方法，采用汽车前轴实物物理试验的方法，比较系统地研究某汽车前轴在低幅交变载荷作用下结构疲劳寿命的变化趋势，发现在低于疲劳极限的低幅应力区内存在一个强化载荷区。用强化载荷区内的不同载荷对前轴进行预锻炼，前轴的疲劳寿命有不同程度的提高。既使在高低载荷交替作用的条件下，低载强化效果依然存在。结构的寿命由强度衰减速率和强度提高速率共同决定，而不是仅由损伤决定。     

汽车前轴低载强化三维曲面方程

通过对不同等级低幅载荷对某汽车前轴疲劳强度影响的试验研究，证实一定范围内的低幅载荷对结构件的强化效果确实存在，并且是比较显著的，在物理试验结果的基础上，通过数值试验和正交多项式回归的方法，得到该前轴在低幅交变载荷作用下的三维强化曲面方程，这为正确评估该前轴使用中的强度变化规律提供了理论和技术依据，为建立基于使用载荷和结构疲劳强度特征的结构轻量化设计理论与方法进行了有益的探索。     

工艺强化后传动系齿轮疲劳寿命增长潜力的研究

为了探索工艺强化后齿轮疲劳寿命的增长潜力,采用轿车齿轮实物物理试验的方法,比较系统地研究某轿车齿轮在低幅载荷作用下结构疲劳寿命的改变,证实低幅应力区内存在一个强化载荷区。用强化载荷区内的不同载荷对齿轮进行预锻炼,齿轮的疲劳寿命会有不同程度的提高,最高可使疲劳寿命提高一倍。在试验结果的基础上,通过数值插值,进一步反映出强化后齿轮疲劳寿命的变化趋势,为摸索利用磨合工序提高齿轮的疲劳寿命提供技术依据。     

低载强化后汽车结构件疲劳裂纹扩展速度研究

为了从微观上揭示汽车结构件经过低载强化后疲劳强度和疲劳寿命提高的原因和机理,本文利用扫描电镜,对某汽车前轴低载强化前后试样断口的疲劳裂纹扩展速度进行了对比研究。研究结果表明,经过低载强化后的汽车结构件断口试样,其贝纹线的增长趋势减弱,疲劳辉度间距变小。这些微观变化有效地延缓了疲劳裂纹萌生,降低了疲劳裂纹扩展速率,使汽车结构件的疲劳强度和疲劳寿命都得到提高。     

汽车结构件低载强化后的疲劳断口特性

利用扫描电镜对某汽车前轴低载强化后的材料断口特性进行了研究,力图从微观上揭示低载强化的成因和机理。结果表明：适当的强化载荷使组织变得密实、均匀,断口的孔洞数量、直径以及二次裂纹明显减少,低载强化有效地延缓了疲劳裂纹萌生,降低了疲劳裂纹扩展速率,使疲劳强度和疲劳寿命都得到提高。     

服从正态分布随机载荷作用下齿轮弯曲疲劳试验研究

根据齿轮传动过程中普遍承受的高斯分布载荷谱,编制了试验用随机变幅疲劳载荷谱,在MTS电液伺服疲劳试验机上利用成组试验方法完成了该随机载荷作用下全寿命齿轮弯曲疲劳试验,得到了特定变差系数高斯分布载荷谱下齿轮弯曲强度的R-S-N曲线。试验结果证明,随机变幅疲劳试验得出的轮齿疲劳寿命低于由疲劳载荷上限值取为载荷谱均值的恒载荷疲劳试验得出的疲劳寿命,因此,如果采用后者的试验结果去估算实际服役中的齿轮的弯曲疲劳寿命是非常危险的。对随机载荷下的齿轮设计的疲劳极限的理论值进行了预测,并与试验结果进行了比较。结果表明,理论分析结果与试验结果基本相符。     

车下设备承载结构疲劳试验载荷谱编制方法*

提出多载荷时间历程的外推方法,给出车下设备承载结构疲劳试验载荷谱编制方法。基于载荷时间历程的雨流计数矩阵,利用二维核密度估计方法(Kernel density estimation, KDE),提出在多载荷时间历程输入条件下的外推方法;应用平均应力修正公式、累积损伤理论和等效损伤准则,根据外推载荷数据,给出疲劳试验程序谱的编制方法;结合动车组车下设备线路测试数据对外推方法进行验证,编制了车下设备承载结构疲劳试验程序谱,并分别使用疲劳试验程序谱和振动测试数据对承载结构进行疲劳强度计算。数据外推结果表明：多载荷时间历程外推方法计算的损伤与实际载荷损伤误差为3.6%,大的扩展倍数下KDE可以给出低周、大幅值载荷;疲劳强度计算结果表明：由于KDE外推产生了大幅值载荷,疲劳试验程序谱计算的损伤比振动测试数据计算的损伤增加了43.8%,所以,在进行疲劳试验载荷谱编制时,需要计算可能出现的大幅值载荷。此研究为其他结构程序载荷谱的编制提供借鉴案例。     

应力与腐蚀因素对连接件腐蚀疲劳寿命交互作用的研究

在应力控制下分别研究了不同应力,预腐蚀时间对3．5％NaCl溶液中有涂层的LY12CZ铝合金铆接连接件的腐蚀疲劳性能影响的规律。试样结构是根据飞机蒙皮的真实结构设计制成的单剪切连接件,按实际工艺过程进行表面处理。试验结果表明,提高应力和延长预腐蚀时间均会缩短连接件的腐蚀疲劳寿命。应力与环境腐蚀因素对连接件的腐蚀疲劳寿命的影响作用不是简单的叠加关系,而是相互影响的,结果还表明,在无预腐蚀的条件下有涂层连接件在pH值为6的NaCl溶液中的腐蚀疲劳寿命比空气中的寿命要高,并且在高低应力范围内均有此现象,在30MPa下预腐蚀对连接件的疲劳寿命的影响作用比50MPa下预腐蚀对连接件疲劳寿命的作用要明显。     

变幅载荷下超声冲击处理焊接接头的疲劳行为

为研究变幅载荷作用下超声冲击处理焊接接头的疲劳行为,采用非承载纵向角接接头进行了Q235B及16Mn钢原始焊态与超声冲击处理态的对比疲劳试验。试验结果表明：①在变幅载荷作用下,Q235B超声冲击处理试件与原始焊态试件相比,疲劳强度提高69%左右,疲劳寿命延长5.7～19.0倍。②在变幅载荷作用下,16Mn超声冲击处理试件与原始焊态试件相比,疲劳强度提高80%左右,疲劳寿命延长2.5～17.0倍。③在变幅载荷作用下,超声冲击处理焊接接头与原始焊态试件的疲劳性能均有所下降：Q235B超声冲击处理焊接接头的疲劳寿命约为恒幅载荷作用时的1/3,原始焊态的疲劳寿命约为恒幅载荷作用时的70%;16Mn超声冲击处理焊接接头的疲劳寿命约为恒幅载荷作用时的1/3,原始焊态的疲劳寿命约为恒幅载荷作用时的75%。④超声冲击处理焊接接头在承受强烈的变幅载荷时依然具有很高的疲劳强度。     

结构强度对低载强化特性影响的初步研究

为了研究结构强度对低载强化特性的影响，对未经过工艺强化的低强度前轴和经过工艺强化的高强度齿轮分别进行了低载强化试验。通过对试验数据的处理，得到了两种结构弯曲疲劳强度的S-N曲线、弯曲疲劳强度和疲劳寿命与强化载荷、强化次数之间的数学关系，以及经过低载强化后弯曲疲劳强度和疲劳寿命提高的最大幅度。随着结构强度的提高，弯曲疲劳强度的提高幅度呈下降趋势，但疲劳寿命的提高幅度呈上升趋势。从宏观和微观上初步分析了结构强度对低载强化特性影响的原因。     

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.