含双裂纹齿轮副轮齿裂纹扩展寿命分析

裂纹扩展是齿轮传动的主要故障,而且裂纹所处位置对裂纹扩展行为作用明显。为探讨齿轮副轮齿裂纹位置与裂纹扩展寿命的关系,提出几种相邻轮齿含分度圆裂纹和齿根裂纹的双裂纹齿轮副模型,基于ABAQUS建立齿轮副的三齿啮合有限元分析模型,分析不同载荷作用下分度圆裂纹和齿根裂纹尖端的主应力值和应力强度因子值;结合Pairs方程探讨分度圆裂纹扩展和齿根裂纹扩展寿命之间的关系。结果表明:齿轮副单齿啮合时的裂纹尖端应力比齿轮副双齿啮合时的裂纹尖端应力大,而且裂纹尖端的弯曲应力明显大于剪切应力;同一载荷同一裂纹深度时,齿根裂纹尖端的应力强度因子值大于分度圆裂纹尖端的应力强度因子值;相同加载时,含齿根裂纹齿轮的裂纹扩展寿命小于含分度圆裂纹齿轮的裂纹扩展寿命;裂纹扩展过程中,齿根裂纹深度和分度圆裂纹深度之比非定值,而且深度之比与载荷无关。     

压裂泵曲轴的疲劳裂纹扩展研究

为研究曲轴疲劳裂纹及其寿命,使用ABAQUS和FRANC3D软件对曲轴裂纹进行引入及扩展分析,基于裂纹剩余寿命计算和初始裂纹形状比对,对应力强度因子进行研究。结果表明,当裂纹深度扩展至18.2 mm时,等效应力强度因子达到曲轴材料断裂韧性,裂纹产生至临界深度,剩余寿命为8.6×105次;在裂纹深度一定时,初始裂纹的表面长度越长,裂纹扩展寿命越短,初始裂纹表面长度越短,裂纹扩展寿命越长;裂纹初始角度越大,裂纹前缘最深处的应力强度因子越低;裂纹初始角度越大,裂纹扩展后得到的裂纹长度越短,裂纹扩展寿命越长。     

热疲劳裂纹网的屏蔽规律及主裂纹应力强度因子的计算方法

热疲劳裂纹网中主裂纹的应力强度因子可反映构件的损伤程度,然而由于裂纹间的屏蔽效应,直接计算裂纹网中主裂纹的应力强度因子是困难的。根据热疲劳试验提出假设：① 主裂纹不会位于裂纹网的边缘;② 裂纹网中的裂纹互相平行,且垂直于约束方向。定义主裂纹的屏蔽剩余百分数s,裂纹的比间距n,裂纹长度比f。分别研究两条长度相等裂纹、两任意长度裂纹、三条裂纹和多条裂纹屏蔽效应的规律。发现s-f-n有确定的关系,这一关系由裂纹网的结构确定,而与边界条件、裂纹尺寸等因素无关。利用屏蔽效应的规律可由单条裂纹时的应力强度因子推算裂纹网中屏蔽效应发生时主裂纹的应力强度因子。算例表明此方法精确、简便、快捷。     

含多条裂纹梁的模态与振动疲劳寿命分析

基于Paris公式,提出了一种含多条裂纹梁疲劳寿命预估的方法。在模态分析中,基于传递矩阵方法,利用无质量的弯曲弹簧等效裂纹,提出一种求解含有多条裂纹梁固有振型的方法,分析裂纹数目、裂纹位置、裂纹深度对裂纹梁固有频率的影响。在振动疲劳分析中,研究了在简谐激励作用下裂纹数目对裂纹尖端应力强度因子的影响。通过Paris疲劳裂纹扩展方程和同步分析法,考虑裂纹梁振动与裂纹扩展的相互作用,分析了裂纹数目和裂纹位置对裂纹梁疲劳寿命的影响。结果表明,裂纹数量、裂纹位置和深度对梁的模态参数和疲劳寿命有重要影响。     

共线裂纹弹塑性双参数断裂分析

用弹塑性双参数断裂理论分析共线双裂纹之间的干涉效应.计算不同裂纹尺寸与不同裂纹间距情况下主裂纹断裂驱动力J积分和约束参数A2.结果表明,随着载荷的增加,次裂纹对主裂纹的弹塑性干涉效应明显大于线弹性干涉效应,并且干涉效应随着裂纹间距的减小或次裂纹长度的增加而相应增大.当载荷比较大时,次裂纹的存在对主裂纹尖端的约束水平也有影响,裂纹尖端约束水平随着裂纹间距的减小或次裂纹长度的增加而相应增大.在采用工程简化方法对多裂纹问题进行断裂评定时,应该考虑次裂纹对主裂纹.J积分和约束水平的影响.     

共线多孔MSD的干涉影响及裂纹扩展模拟

对无钉载LY12CZ中心单裂纹铝板进行等幅疲劳加载,运用FRANC2D/L进行模拟,所得数值模拟结果与试验结果接近,具有一定可靠性。同时运用FRANC2D/L对多孔等长裂纹、多孔主裂纹、多孔不相邻裂纹、多孔相邻裂纹和单裂纹等五种开裂模式裂纹扩展的应力强度因子分布和裂纹扩展寿命进行分析和计算。结果表明裂纹的干涉作用随裂纹长度的增加越来越显著,并且中心裂纹相对于邻近裂纹扩展寿命偏小。     

基于弹性波传播特性的变截面转轴横向裂纹检测方法

转轴不同的受力条件使裂纹具有不同的裂纹模式,在利用弹性波传播特性对横向裂纹进行检测时需要考虑裂纹模式的影响。在不同裂纹模式下推导得出裂纹的局部柔度系数,随后建立不同的裂纹模式下弹性波的传递矩阵,搭建转轴裂纹试验台,分析出其裂纹模式为模式Ⅲ,同时定性分析裂纹深度对转轴中弹性波传播特性的影响。试验结果验证了理论分析出的裂纹模式的正确性,而裂纹深度主要影响弹性波阻带带宽和中心频率。研究结果可为变截面转轴裂纹模式的选取提供参考,也为横向裂纹的检测提供了一种方法。     

镍基双晶晶界疲劳屏蔽效应

对晶界平行裂纹和晶界垂直裂纹的双晶体进行三点弯曲疲劳实验,研究了双晶晶界的疲劳裂纹扩展规律,测定了双晶的疲劳扩展速率,揭示了晶界对晶粒疲劳裂纹扩展的屏蔽效应当裂纹距晶界某一特定长度时,裂纹扩展速度最快;而裂纹顶端交于晶界时,裂纹扩展速度最慢.进一步的晶体滑移有限元数值分析揭示了这种屏蔽效应的机理裂纹的扩展速度与裂纹顶端的应力场,而裂纹顶端的应力场又与晶粒和晶界的相对位置有关.     

金属材料表面裂纹疲劳扩展形状演变规律

基于裂纹扩展过程中的能量释放率理论提出一种表面裂纹疲劳扩展形状的计算方法,研究了在拉伸和弯曲疲劳载荷作用下金属板材中表面裂纹扩展形状演变规律,并进行了试验验证。结果表明:计算得到在拉伸载荷作用下的裂纹扩展初始阶段,表面裂纹呈半圆形,随着裂纹深度的增加,表面裂纹形状逐渐变为扁长型半椭圆形;在弯曲载荷作用下的裂纹扩展初始阶段,表面裂纹呈半圆形,随着裂纹深度的增加,表面裂纹形状逐渐变为细长型半椭圆形;试验得到表面裂纹在疲劳扩展过程中的形状逐渐靠近计算得到的形状;在表面裂纹长度相等的条件下,试验与计算得到的裂纹深度的相对误差小于4.5%,说明采用基于能量释放率理论的表面裂纹扩展形状计算方法来预测表面裂纹疲劳扩展的形状演变是可行的。     

滚动轴承接触疲劳裂纹建模与扩展规律研究

针对滚动轴承的疲劳剥落损伤演化问题,采用扩展有限元方法研究疲劳裂纹扩展机理,通过算例验证了扩展有限元方法的可靠性。运用断裂力学理论建立了包含次表面初始裂纹的滚动接触疲劳扩展有限元模型,分析了初始裂纹倾斜角度、所处深度和初始裂纹长度对次表面裂纹生长到表面的扩展路径影响机制,通过分析应力强度因子变化研究了裂纹扩展机理。研究结果表明,次表面疲劳裂纹以滑开型裂纹扩展模式为主;初始裂纹角度对疲劳裂纹扩展路径影响较大,初始裂纹角度在15°～45°时裂纹会转向表面发展而形成疲劳剥落;初始裂纹尺寸和深度对裂纹扩展路径形貌的影响较小,但会影响裂纹扩展的难易程度。     

硬齿面齿轮齿根裂纹扩展特性与剩余寿命研究

为了研究齿根裂纹对硬齿面齿轮疲劳寿命的影响,以某渐开线硬齿面齿轮为研究对象,基于断裂力学方法和疲劳裂纹扩展理论,分析研究了齿轮齿根疲劳裂纹扩展机制;建立了考虑载荷大小、初始裂纹大小以及初始裂纹位置等因素影响的硬齿面齿轮齿根裂纹扩展剩余寿命分析模型,研究了齿根裂纹不同扩展阶段的应力强度因子演变规律与裂纹扩展机制;根据某渐开线硬齿面齿轮副弯曲疲劳试验数据,对所建计算模型进行了分析与验证,证明了模型的准确性。结果表明,与Ⅱ型裂纹、Ⅲ型裂纹相比,Ⅰ型裂纹应力强度因子最大,从齿面到裂纹深度方向,其值逐渐减小;随载荷、裂纹长度、裂纹宽度以及初始裂纹距齿宽中心位置的距离等因素的增大,裂纹扩展剩余寿命都随之减小。     

含裂纹板的振动疲劳裂纹扩展耦合分析

为提高含裂纹板的振动疲劳分析精度,提出一种振动疲劳裂纹扩展耦合分析方法。首先,利用附加载荷等效代替裂纹作用,由力学平衡原理推导含裂纹板的振动方程,基于Rice与Levy应力关系式形成方程的裂纹项;然后,运用Paris方程模拟裂纹扩展,通过振动分析与裂纹扩展计算同步进行的方式考虑振动与裂纹扩展的耦合作用,讨论振动对含裂纹板裂纹扩展的影响。分析表明,结构固有频率与裂纹大小和板厚密切相关;阻尼大小和激振力变化对裂纹扩展速率的影响显著。     

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。     

非共线复合型裂纹扩展特性分析

以带多点损伤的空孔板为研究对象,利用数值分析法分析裂纹起裂位置和裂纹倾斜角对应力强度因子的影响,对比了共线多裂纹与非共线复合型裂纹起始扩展速率和扩展寿命的差异。结果表明:非共线复合型裂纹起始扩展速率偏大,裂纹扩展寿命缩短约2.5%。在非共线复合型裂纹模型中,随着裂纹倾斜角增加,等效应力强度因子先增大后减小,且在15°时,整体裂纹扩展速率达最大值。相邻孔间裂纹的相对位置和相对方位影响裂纹的扩展路径,进而影响裂纹扩展寿命。     

高速列车锻钢制动盘热疲劳裂纹耦合扩展特性研究

据制动盘裂纹剖面的宏观形貌,发现盘面长裂纹的形成以多条半椭圆表面裂纹连通为主。针对制动盘在运行过程中的典型运用工况,采用有限元法计算制动盘在300 km/h紧急制动后的热应力,发现周向残余应力较大,并以此推测周向残余应力是驱动制动盘热疲劳裂纹扩展的主要原因。在此基础上,建立制动盘盘面的裂纹网格,研究了裂纹扩展过程中的应力强度因子和多裂纹耦合扩展规律。通过研究发现对于给定的载荷条件,不同初始形状比时,裂纹前缘应力强度因子的分布规律存在一定的规律性,随着裂纹的扩展,裂纹形状趋于扁平化;多裂纹扩展时,裂纹间距越小,裂纹间的相互作用越明显,扩展速度越快;但受制动盘结构和尺寸限制,共线裂纹数越多,每条裂纹扩展到临界值时的应力强度因子越小。     

复合型裂纹系统能量变化的仿真分析及同I型裂纹系统能量的比较

针对工程实际上更为常见的复合型裂纹,建立基于弹性断裂理论和复变函数理论的能量计算模型.研究裂纹扩展过程中,系统能量在各种相关因素影响下的变化规律.以Ⅰ、Ⅱ型复合裂纹为例,采用能量释放率理论对外荷载、裂纹所处角度及裂纹的几何尺寸等因素对系统能量的影响进行全面的仿真计算.同时,基于复合裂纹与I型裂纹在裂纹转动角度上的不同,对复合型裂纹和I型裂纹系统能量的变化进行比较.结果表明:系统能量随着外荷载和裂纹所处角度的增加而增大;随着裂纹长度增大而减小.当外荷载、裂纹长度为零时,系统能量也为零.当裂纹由I型裂纹产生一个转动角度时,系统能量是增加的.在同样的荷载条件、边界条件进行分析,具有转动角的复合型裂纹能量较I型裂纹的系统能量大.     

受弯梁中开裂纹的位置识别与分析

利用有限元计算判定受弯梁中开裂纹的位置 ,从中得出 :同正常梁相比 ,裂纹梁的固有频率与振型的变化不但与裂纹深度而且与裂纹位置有关 ,因而 ,通过裂纹梁低阶固有频率及振型的变化情况可以判定裂纹的位置。对于裂纹较浅的情况 ,直接利用振型与固有频率的变化很难判定裂纹的位置 ,必须借用一些特征参数来提高识别的敏感性 ,这样 ,裂纹梁中早期裂纹的识别也是可行的     

基于最大张口位移计算多条共线裂纹应力强度因子的方法研究

提出一种多裂纹应力强度因子计算的新方法.该方法是利用裂纹的最大张口位移量来确定多裂纹尖端的应力强度因子.首先基于单条穿透裂纹的张口位移与应力强度因子的解析解,推导出二者之间的对应解析关系,然后通过考虑双条共线穿透裂纹的板宽效应、裂纹间距比和裂纹长度比的影响,拟合出各种修正系数的变化曲线,进而确定双裂纹情况下裂纹尖端应力强度因子与裂纹最大张口位移之间的函数关系,最后利用复合法的思想,确定多裂纹与双裂纹修正系数之间的对应关系,进一步确定多裂纹的应力强度因子的计算方法.     

齿轮齿根疲劳裂纹扩展特性和剩余寿命研究

以某渐开线圆柱齿轮为对象,基于有限元法对其齿根疲劳裂纹的扩展进行了数值模拟。首先通过对一对健康齿的啮合分析确定其啮合过程中齿根部位弯曲应力最大点,并将其作为裂纹起始点。据此将其分割为裂纹块和非裂纹块。在裂纹块预制初始裂纹并重生网格,裂纹块网格采用等参奇异单元,裂纹块和非裂纹块之间通过多点约束连接不匹配节点。利用有限元分析得到裂纹扩展过程中应力强度因子变化情况,并根据最大周向应力准则计算疲劳裂纹扩展角度,模拟齿根裂纹扩展轨迹,依据Paris公式对齿根疲劳裂纹剩余寿命进行预估。分析了载荷大小和初始裂纹长度对剩余寿命的影响。     

汽轮机动叶片用1Cr13钢原材料裂纹分析

1Cr13钢毛坯调质后发现裂纹,裂纹面两侧都有明显的脱碳层,断面存在氧化,裂纹斜向延伸,裂纹末梢并不尖锐,裂纹边缘脱碳层与毛坯料原始面脱碳层层深差别不大等现象推断,送检毛坯料上的裂纹应是淬火之前形成的原始裂纹。