滚动轴承接触疲劳内部裂纹扩展有限元分析

滚动轴承滚道在工作过程中承受较大的接触应力,接触疲劳是滚动轴承失效的主要形式。为了探究轴承的接触疲劳以及接触疲劳引起的内部裂纹,将损伤力学带入Voronoi有限元方法中,仿真轴承材料拓扑随机性和材料的劣化过程。建立轴承接触疲劳裂纹扩展模型,有效仿真出轴承内部裂纹的萌生、生长、相交、扩展至表面的过程,得到轴承表面裂纹出现的寿命和内部裂纹扩展路径。计算了裂纹扩展过程中所释放的能量,研究内容能够为轴承接触疲劳损伤研究提供新的思路和工具。     

弯矩作用下钢轨滚动疲劳裂纹扩展行为研究

在JD-1轮轨模拟试验机上,通过设计模拟小轮的结构,对钢轨试样在弯矩作用下的裂纹扩展行为进行研究.试验结果表明:裂纹一般在应力集中处萌生,当裂纹扩展到一定程度后容易产生变向甚至分叉;在其他参数相同的情况下,预制裂纹尺寸对疲劳裂纹扩展有较大影响,预制裂纹较宽时裂纹扩展速率明显加快.     

车轮多边形激励下的滚动接触疲劳裂纹瞬态扩展行为研究

利用ANSYS/LS-DYNA建立带车轮多边形的三维轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展模型,将真实轮轨间瞬态滚滑和高频动力作用考虑在内,分析车轮多边形和连续钢轨裂纹造成的瞬态接触载荷对钢轨裂纹动态扩展行为的影响。速度250 km/h牵引工况的结果表明:零间隙多裂纹对法向轮轨力的影响甚微,但会造成切向轮轨力不可忽略的波动;车轮多边形会造成法向和切向轮轨力显著的周期性波动,如0. 1 mm波深23阶多边形会使得各裂纹面最大法向和切向接触力较圆顺工况分别增长19. 6%、34. 1%;任一裂纹面内法向和切向接触应力在接触斑滚过的0. 22 ms内发生了复杂的瞬态变化,进一步导致各裂纹的最大裂尖应力场强度因子的周期性波动,影响裂纹动态扩展行为;随着车轮多边形波深和阶数的增加,上述各种波动的幅度均会变大,加速裂纹扩展。     

滚动接触疲劳裂纹的扩展与载荷分布之间的关系

为了了解滚动轴承中的接触疲劳现象，有必要对疲劳裂纹由萌生到出现剥落的扩展过程加以澄清。从1935年Way的研究起，对滚动接触疲劳的机理及其影响因素作了很多研究，但这些研究对疲劳裂纹的扩展过程重视不够，这是因为以前没有有效的方法来确定疲劳裂纹的萌生和扩展，直到最近才有所突破。     

多条滚动接触疲劳裂纹共存时的瞬态扩展行为分析

利用有限元法建立考虑轮轨瞬态滚动接触载荷的三维滚动接触疲劳斜裂纹扩展分析模型,分析现场中成群出现的钢轨滚动接触疲劳裂纹之间的相互影响。该模型可以准确反映高频轮轨瞬态滚滑行为对裂纹载荷边界和裂纹面接触的影响,突破了以往研究中基于赫兹接触的稳态接触载荷边界假设带来的种种局限。基于实测,模型中裂纹扩展角度取典型值30°,长度和深度分别取10～20 mm和2～4 mm (长深比固定为5),考虑间距在5～20 mm范围内变化,分析多至5条裂纹共存情况下的裂尖应力场强度因子。300 km/h运行速度下的计算结果表明:相同尺寸的多裂纹共存时某一裂纹尖端的节点力相较于单裂纹时低,但多裂纹时的接触刚度更低,使得裂纹尖端附近两裂纹面间的相对位移较单裂纹更大,最终使得多裂纹工况的裂尖应力场强度因子随裂纹数量的增多而增大;对于特征尺寸(长度)为15 mm的等间距多裂纹,当裂纹间距大于5 mm时,3条裂纹共存模型即足以将裂纹间相互影响精确考虑在内,较5条裂纹共存模型的误差仅为1.7%。对于文中所研究的多裂纹,当裂纹间距大于裂纹特征尺寸时,裂纹间的相互影响可以忽略,即可采用单裂纹模型进行计算。     

滚动接触疲劳裂纹的发展过程与载荷分布之间的关系

使用一种新的噪音辐射(简称AE)源的测定方法来研究向心轴承内圈滚道接触疲劳裂纹的发展过程与载荷分布之间的关系，在滚动接触疲劳测量中，对尽可能的AE源位置的AE事件进行累积，其累积的直方图(频率分布图)与用数字模似的结果相对比，两者是一致的，测定的直方图不是对称的，大多数峰值分布在实际的AE源位置之后，载荷区内疲劳裂纹扩展的有效区域偏于与旋转方向一致的入口一侧。显然，疲劳裂纹在这个狭长区域内有一个扩展趋势：随着疲劳裂纹的产生到疲劳剥落的出现，这个区域逐渐延伸到出口一边。     

钢轨滚动接触疲劳研究

介绍了滚动接触疲劳裂纹的萌生及扩展的形成机理、钢轨滚动接触疲劳的破坏分类、影响因素,从钢轨新材料的开发、轮轨接触几何型面的优化和铁路工况的改善等几个方面提出了减缓钢轨滚动接触疲劳的措施。     

疲劳裂纹扩展速率统计分析

将疲劳裂纹扩展速率分解为确定性趋势和随机涨落两部分，应用概率统计和随机数据处理方法分析了疲劳裂纹扩展速率的确定性趋势参数的统计分布和随机涨落数据的幅值特性，相关函数和功率谱密度函数，为疲劳裂纹扩展统计规律研究提供了依据。     

疲劳裂纹扩展随机建模研究综述

介绍了疲劳裂纹扩展的概念,以及国内外对此领域的进展情况,并对若干种随机模型作了概括阐述.     

使用疲劳裂纹扩展数据的疲劳裂纹扩展的可靠性分析方法

利用现有的疲劳裂纹扩展数据或疲劳裂纹扩展试验的不完全数据 ,对疲劳裂纹随机扩展的可靠性进行了研究。基于疲劳裂纹扩展的确定性模型 ,导出了疲劳裂纹扩展的随机公式。利用现有的疲劳裂纹扩展数据或疲劳裂纹扩展试验的不完全数据 ,对疲劳裂纹扩展随机公式中的随机变量的分布进行了估计 ,得到了其分布的数字特征 ,用Monte Carlo方法得到了疲劳裂纹扩展寿命的失效概率的点估计。实例分析表明了本文方法的实用性和可行性     

轴承钢接触疲劳次表面裂纹萌生过程的三个重要特性

本文在试验观察与理论分析的基础上提出,接触疲劳次表面裂纹的萌生过程存在三个特性：（1）萌生角的随机性;（2）萌生与扩展力条件的可分离性;（3）萌生深度与萌生力学条件的统计性。并指出次表面裂纹的萌生在统计意义上是由最大正交剪应力所引起的。     

直齿轮弯曲疲劳裂纹的扩展行为预测与分析

以渐开线圆柱齿轮为研究对象,在其齿根部存在初始裂纹的前提下,研究齿根疲劳裂纹扩展特性及其寿命;将齿轮啮合过程的动力学计算等效为多个啮合位置的静力分析,得到不同位置的应力强度因子;根据线弹性断裂力学,将裂纹扩展过程线性等效,以K判据分析裂纹是否发生扩展,根据Paris准则计算裂纹扩展量,采用最大周向应力准则确定裂纹扩展角度,得到整个计算周期的应力强度因子、疲劳裂纹扩展路径及疲劳寿命;采用高频试验台对齿轮进行疲劳试验,得到齿轮的疲劳扩展路径,与有限元计算结果进行对比验证;最后分别分析了初始裂纹的尺度、位置和载荷的不同对疲劳裂纹的扩展及疲劳寿命的影响。     

高温疲劳短裂纹萌生与扩展的实验研究

对2．25Cr-1Mo合金钢进行高温疲劳表面短裂纹的观测试验，采用中断试验和复膜方法观测短裂纹萌生扩展的演化过程，研究短裂纹数密度和平均长度随循环次数及载荷条件的变化特征。结果表明，高温疲劳损伤是由晶界孔洞开始的，晶界孔洞相互联结合体形成细观组织短裂纹；短裂纹在接近应力轴垂直方向的晶界上随机萌生和扩展；在寿命前期和中期疲劳损伤以裂纹萌生为主要形式，寿命后期由于裂纹数目增多，裂纹间合体效果增强，促使主裂纹迅速形成和长大，从而导致最终的疲劳失效；加载应变范围越大或温度越高，裂纹萌生和扩展越快，寿命越短。     

滚动接触疲劳短裂纹扩展机制及预防研究

采用有限元分析软件ANSYS,在无摩擦、纯滚动、全滑动三种运行状态下,研究钢轨表面短裂纹的疲劳断裂机制,并分析轮轨间摩擦因数对接触疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明,轮轨接触的疲劳裂纹为张开型和滑开型同时存在的复合型裂纹,裂纹发生张开型破坏的最危险位置在接触斑边缘的位置;随着裂纹角度的增加,应力强度因子KI增加而KII减小,其中60°裂纹的扩展速率最快;摩擦力的存在明显加剧了裂纹扩展速率,且随着摩擦因数的增加而增大。对钢轨表面预防性打磨周期进行预测时,以60°裂纹为基准的预测结果偏安全。     

(Ⅰ+Ⅲ)复合型疲劳裂纹扩展研究

采用斜裂纹矩形梁四点弯曲试件对低合金转子钢在(Ⅰ+Ⅲ)复合型加载条件下裂纹的起始扩展特点、疲劳门槛限以及裂纹扩展行为作了研究,对所得到的规律进行了分析和讨论,并与(Ⅰ+Ⅱ)复合型疲劳裂纹扩展特点作了比较。     

考虑裂纹闭合效应的疲劳裂纹扩展有限元分析

由材料塑性诱发的裂纹闭合效应对疲劳裂纹扩展的影响显著。针对紧凑拉伸试样,通过构建其有限元模型,同时考虑塑性诱发的裂纹闭合效应,采用恒幅循环加载方式,对试样裂纹扩展区域内节点位移和反力进行计算与处理,获得了裂纹张开载荷,并讨论了网格尺寸、节点释放时刻、监测点位置等对裂纹张开载荷的影响;对于稳定的裂纹张开载荷,探讨了基于节点反力的线性插值计算方法,可获得更加精确的数值,研究成果对疲劳裂纹扩展分析和寿命预测具有参考价值。     

基于FRANC2D的疲劳裂纹扩展数值模拟

介绍了二维断裂分析有限元软件FRANC2D（Fracture Analysis Codein 2 Dimensions）疲劳裂纹扩展的基本原理以及一般计算过程，为了验证FRANC2D在疲劳裂纹扩展数值模拟方面的准确性，对含中心裂纹试样平板进行疲劳试验，并将试验结果和软件中模拟的结果进行对比，同时进一步说明其方法。     

液体黏度对钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展影响分析

基于雷诺方程和有限元法,通过轮轨滚动接触二维模型,计算液体受到挤压渗入钢轨表面裂纹后的压力分布,对裂纹尖端的应力强度因子进行分析,研究了不同黏度液体对钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展的影响。结果表明:在钢轨表面出现液体后,裂纹扩展形式由Ⅱ型转变为Ⅰ型,渗入裂纹的液体更容易引起材料剥落;黏度愈大,裂纹平均扩展角度越大,扩展路径由光滑变得曲折。当黏度一定时,裂纹初始角度越大,裂纹扩展速率越低;随着黏度的增大,裂纹扩展速率减小。     

腐蚀环境中的疲劳裂纹扩展

本文介绍了室温条件下2 1/4Cr-1Mo钢在1.1MPa氩气和最高压力达9.9MPa的氢气环境下的断裂疲劳特性及为防止氢致裂纹扩展而在氢气中加入的气体缓蚀剂对钢的疲劳裂纹扩展的影响。发现氧或一氧化碳对防止氢致裂纹扩展有很大作用。另外,还介绍了在人造海水介质中低碳钢焊接接头的腐蚀疲劳裂纹扩展特性。