改进TCD算法的疲劳寿命预测研究

在实际工程领域中,零件的疲劳破坏给工程界带来了难以计量的损失。所谓疲劳,是指零件在承受远低于其屈服极限的循环载荷时突然失效的情况。疲劳问题一直受到广泛关注,关键距离法(TCD算法)最初由Taylor等人提出,该理论将试件缺口附近区域某点,线上的应力特征值作为疲劳失效判断准则。拟选用疲劳试验机对45#钢缺口试样在四种应力级下进行疲劳试验,对45#钢缺口试样的疲劳性能进行了试验研究。同时运用了传统TCD算法以及改进TCD算法对45#钢缺口试样的疲劳寿命进行了预测,与实验结果进行比较,改进的TCD算法相对于传统TCD算法获得的预测结果更令人满意。从而为工程上缺口构件的疲劳寿命预测提供了理论计算方法。     

1.25Cr0.5Mo钢缺口试样高温疲劳蠕变交互作用的试验研究

通过对1.25Cr0.5Mo钢半圆和V型缺口试样520℃和540℃环境下应力控制的梯形波加载试验,对1.25Cr0.5Mo钢缺口试样高温环境下疲劳蠕变交互作用的规律进行了研究。研究表明:1.25Cr0.5Mo钢缺口试样在高温环境下对应力的敏感性不高;与光滑试样不同,缺口试样高温环境疲劳蠕变交互作用下的破坏机制以疲劳为主;缺口试样高温环境疲劳蠕变交互作用的断裂寿命主要应力、温度和缺口形状的影响。     

中碳钢在低应力超长寿命范围内的疲劳性能

用20kHz超声疲劳试验技术测试40Cr钢、50车轴钢在105～1010周次范围内的疲劳性能.结果表明,两种钢并不存在传统意义上的所谓"疲劳极限".在超过107周次,甚至109周次的超长寿命范围内仍发生低应力疲劳断裂,其中40Cr钢的S-N曲线呈现"连续下降型"特征;50车轴钢呈现"阶梯下降型"特征.对两种钢缺口试样的疲劳性能测试表明,缺口应力集中对疲劳性能的影响呈现"阶段性特征",在106～107周次内存在一个临界疲劳断裂循环周次Nc当疲劳断裂循环数Nf＜Nc随Nf的增加,缺口应力集中对疲劳性能的影响程度呈上升趋势;当疲劳断裂循环数Nf＞Nc,随Nf的增加,缺口应力集中对疲劳性能的影响程度呈逐渐下降的趋势.     

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。     

022Cr17Ni12Mo2不锈钢缺口试样的疲劳寿命预测

对022Cr17Ni12Mo2不锈钢光滑和缺口试样进行了拉伸试验及应力控制的低周疲劳试验,并采用Neuber律、Peterson方法和基于试验结果计算的疲劳缺口系数进行了疲劳寿命预测。结果表明:022Cr17Ni12Mo2不锈钢具有明显的缺口效应和良好的塑性,缺口效应在低应力水平下更为明显;在不同应力水平下不锈钢均表现出了循环硬化现象,且随着应力幅值的增加其循环硬化更为明显;Neuber律和Peterson方法得到的疲劳寿命预测结果均偏于保守,基于试验结果的疲劳寿命预测结果更准确。     

高强钢电阻点焊TS试样疲劳寿命预测

在使用裂纹扩展的方法预测焊点疲劳寿命时,裂纹尖端塑性区的存在会对寿命预测结果产生影响,而现有的大多数寿命预测方法在预测寿命的过程中并没有考虑裂纹尖端塑性对寿命预测结果的影响。针对几种不同的高强钢电阻点焊TS试样进行了疲劳寿命试验,得到了不同材料的疲劳寿命与裂纹扩展路径,在此基础上使用裂纹扩展的方法对TS试样的寿命进行了理论预测。考虑裂纹尖端的塑性变形,对理论寿命预测结果进行了塑性修正,修正后的曲线在高周疲劳区寿命预测结果几乎不变,在低周疲劳区寿命预测结果减小,寿命预测曲线变化趋势与实验结果相符合。高周疲劳由于载荷较小,塑性区半径小,所以塑性对疲劳寿命的影响小,低周疲劳区由于载荷较大,塑性区半径大,塑性对疲劳寿命影响较大。     

基于晶体塑性理论的GH4169合金缺口效应研究

基于晶体塑性本构模型,通过生成宏观试样的代表性体积单元,对单轴拉伸和疲劳试验数据进行拟合以获得满足模拟条件的相关参数,并分析了网格尺寸对模拟结果的影响;采用累积塑性滑移和能量耗散作为指示因子进行疲劳裂纹萌生寿命预测,研究缺口尺寸对疲劳裂纹萌生寿命的影响.结果表明:采用所建立的模型获得的含缺口试样的疲劳裂纹萌生寿命在试验获得的疲劳裂纹萌生寿命2倍误差带内,模型具有较好的预测精度;当缺口尺寸较小时,随着缺口尺寸的增加,试样疲劳裂纹萌生寿命显著降低,当缺口尺寸大于临界缺口尺寸时,试样疲劳裂纹萌生寿命几乎不受缺口尺寸影响.     

考虑载荷相互作用的高低周复合疲劳寿命预测模型

通过研究高周疲劳与低周疲劳的损伤等效关系，在Manson-Halford模型的基础上引入影响因子以反映高周疲劳与低周疲劳载荷之间相互作用的影响，建立了一种修正的高低周复合疲劳寿命预测模型，通过TC11钛合金、LY12-CZ铝合金、45钢和GH4033镍基合金4种材料的试验数据对该修正模型进行验证。结果表明：修正模型对TC11钛合金、LY12-CZ铝合金和GH4033镍基合金疲劳寿命的预测结果均在2倍误差范围内，对45钢疲劳寿命的预测结果有78%左右的数据处于2倍误差范围内；建立的修正模型有较高的预测精度，适用于高低周复合疲劳寿命预测。     

一种基于连续损伤力学的低周疲劳寿命预测模型

基于连续介质基本守恒定律和连续损伤力学,可将材料疲劳损伤造成的有效承载面积减小表示为平均应变的函数,在此基础上,按微裂纹阶段和疲劳裂纹阶段对材料低周疲劳的损伤演化进行了分析,并建立了一种低周疲劳寿命预测模型。对316L钢光滑试样进行420℃环境下应力控制的低周疲劳试验,采用上述方法进行损伤描述和寿命预测。结果表明微裂纹阶段是材料低周疲劳寿命消耗的主要阶段,采用各寿命段采样数据获得的寿命预测结果与试验结果较 符合。     

多维应力400℃低周疲劳寿命评价准则的探讨

通过对四种不同缺口形式的2．25CrlMo钢圆柱形试样400℃低周疲劳行为的研究，用当量应变范围准则评价了多维应力状态下的高温低周疲劳寿命。研究结果表明，用当量准则评价高温低周疼劳寿命可以替代部分试验，但仍需做进一步的分析探讨。     

C级铸钢重构S-N曲线模型的研究

给定若干概率水平的常规疲劳可靠性S-N曲线只能做相应概率水平的疲劳设计与寿命预测,要实现任意可靠性水平的疲劳设计、寿命预测和失效率分布规律估计,需要重构广义概率疲劳可靠性S-N曲线.首先应用Monte Carlo模拟技术在可接受的误差范围重构C级铸钢的疲劳极限和成组法S-N数据,然后应用广义极大似然法测定其中短寿命范围的可靠性S-N曲线,最后应用概率疲劳极限外推法获得该材料长寿命范围的合理疲劳概率S-N曲线.     

汽轮机联轴器螺栓剪切疲劳试验研究

在常温空气介质下，利用薄壁圆筒试样进行剪切疲劳试验，得到具有95％置信度、5％误差限的联轴器螺栓材料40CrNiMoA钢的剪切循环应力－应变特性参数和应变疲劳寿命特性参数，给出该材料在常温下的单调和循环剪切应力应变特性曲线以及不同可靠度下的剪切疲劳寿命曲线。试验表明，该材料在循环扭转载荷下表现出循环软化特性，并且比用von Mises准则所预测的循环软化程度要大些。对不同应变下的循环稳定应力变化规律进行比较可得，无量纲化的不同应变水平下的峰谷值应力仅与无量纲化的循环周次有关。     

概率循环应变—寿命曲线及其估计方法

引入了概率循环应变—寿命曲线描述低周疲劳循环应变—寿命试验数据的分散性。应用线性回归方法和极大似然法原理 ,发展了曲线及其置信限的估计方法。方法采用经验证的良好假设分布即对数正态分布模拟疲劳寿命的分散性。基于Coffin Manson律 ,将曲线近似表征均值和均方差循环应变—寿命曲线的形式。任意可靠度下的疲劳分析可方便地根据正态分布进行。与现有独立随机变量观点不同 ,材料常数视为关联随机变量。1Cr18Ni9Ti不锈钢管道焊接头试验数据分析验证了方法的有效性。     

LC4CS铝合金和30CrMnSiNi2A钢在大气环境预腐蚀后的疲劳曲线

使用铝合金ＬＣ４ＣＳ和高强钢３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ作为模拟疲劳试验件，在大气腐蚀环境中长期放置１～１５年后做疲劳试验，取得不同日历时间下的疲劳特性数据。本文给出０、１、２年的疲劳Ｓ－Ｎ数据，并采用极大似然原理测定出Ｐ－Ｓ－Ｎ曲线。结果表明，大气环境腐蚀后材料的疲劳寿命下降与日历有关。这些曲线是确定受腐蚀金属机件或构件疲劳日历寿命的论据。     

ZG230-450铸钢的疲劳可靠性设计Goodman-Smith图

研究铁道车辆ZG230-450车轮铸钢疲劳可靠性设计Goodman-Smith图的绘制方法.图中疲劳寿命单位采用循环数或车辆行驶里程万公里,疲劳强度由中-短与长寿命范围的概率疲劳S-N曲线确定,图中转折点坐标与设计判据采用全概率模式求解.应用文中方法可获得任意可靠性水平下ZG230-450铸钢中短与长寿命范围的疲劳可靠性设计Goodman-Smith图.     

海洋结构钢焊接接头低周疲劳强度的研究

对进口结构钢A537和国产结构钢E36模拟节点热点处应力状态制成接头试件,采用极大似然性原理组织试验,考察材料、介质（空气和海水）、工艺（焊后或焊修）对接头疲劳强度的影响,并获得这两种钢的焊接接头的概率-应力范围-寿命曲线（P-S-N）,对比管节点疲劳试验结构,表明“焊接接头疲劳寿命相对于管节点疲劳试验的启裂寿命”观点是安全的。     

研磨加工层对高碳铬轴承钢超长寿命疲劳行为的影响

为了阐明磨石研磨加工层对高碳铬轴承钢JIS SUJ2超长寿命疲劳行为的影响,分别使用经砂纸研磨和电解研磨的砂漏形试样,在室温空气环境下进行旋转弯曲疲劳试验.砂纸研磨试样被除去部分磨石研磨层,电解研磨试样被除去了全部的磨石研磨层.结果表明,两种试样的S-N曲线由位于短寿命区的表面破坏模式和位于长寿命区的内部破坏模式的两条组成,表面破坏模式的S-N曲线受表面粗糙度和表面压缩残余应力的影响.内部破坏模式的S-N曲线不受表面条件的影响,是材料固有的特性.砂纸研磨试样表面破坏模式的疲劳极限最高,是电解研磨试样1.11倍和磨石研磨的1.20倍.表面压缩残余应力对表面破坏模式疲劳极限的影响可以用修正Goodman图表示.还讨论裂纹的萌生和扩展条件,推定超长寿命的疲劳极限.     

平均应力对50钢超高周疲劳性能的影响

为了进一步拓宽超声疲劳试验的研究范围,对50钢进行了含有平均应力的三点弯曲和非对称拉压疲劳性能试验,得到相应的疲劳,S-N曲线,研究了平均应力对其超高周疲劳性能的影响。结果表明：超声频率加载下平均应力对50钢疲劳性能有显著影响,在应力幅相同的情况下,随着平均应力的增大,疲劳寿命降低;常规疲劳用于描述平均应力影响的Morrow关系仍能描述超声频率加载下高周疲劳（〈10^7周次）范围内拉伸平均应力对50钢疲劳性能的影响,但是不能用来描述超高周范围内拉伸平均应力和弯曲平均应力对疲劳性能的影响;常规疲劳用于描述平均应力影响的Goodman模型仍能很好地描述超声频率加载下一定寿命的应力幅值和平均应力的配合。     

Influence of shot peening on the surface durability of thermomechanically treated En 24 steel spur gears

En steel, in untreated and thermal treated conditions, with and without shot peening, were tested in a back-to-back gear test rig. Their contact fatigue characteristics were studied and S–N curves have been established. Contact fatigue strength of shot peened gears for a given life showed an improvement in relation to unpeened gears.     

钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测研究*

钢丝微动疲劳过程中,钢丝裂纹萌生特性直接影响其裂纹扩展特性,进而制约钢丝微动疲劳寿命,因此开展钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测研究具有重要意义。基于有限元法、摩擦学理论和断裂力学理论,运用Smith-Watson-Topper（SWT）多轴疲劳寿命准则建立考虑磨损的钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测模型,基于多种不同的钢丝疲劳参数估算方法对钢丝的微动疲劳裂纹萌生寿命进行了预测,并探究接触载荷、疲劳载荷、交叉角度及钢丝直径等微动疲劳参数对钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命的影响规律。结果表明：基于中值法的预测结果最接近实际值;在微动疲劳过程中,钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命主要与接触载荷和疲劳载荷相关。通过引入微动损伤参数建立简化的适用于钢丝绳的钢丝微动疲劳裂纹萌生寿命预测模型,通过与考虑磨损的预测模型计算结果进行对比验证了该模型的准确性。