管道、缆绳等工程对象可靠性设计的单元化方法框架

为了建立能反映虚拟的“元件”间失效相关性的长管道或缆绳的可靠性模型。论述了管道、缆绳类连续系统的单元化(元件化)原则,虚拟单元的尺寸与缺陷分布特征的关系,单元强度分布及单元间的失效相关性与单元尺度的关系,系统强度分布与单元强度分布的关系等．以此为基础。在不作“系统中各元件的失效是相互独立的”这种传统假设的前提下。建立了连续系统失效概率模型．这样的模型能反映“共因失效”这种系统中普遍存在的失效相关性,比传统的串联系统可靠性模型更符合实际情况,有更大的应用范围．     

服役低温老化对铝合金-玄武岩纤维增强树脂复合材料粘接接头力学性能的影响及失效预测

为了给铝合金-玄武岩纤维增强树脂(BFRP)复合材料粘接结构在汽车工业中的应用提供参考和指导,加工了铝合金-BFRP复合材料粘接接头。结合汽车服役中的温度区间,选取?10℃和?40℃的低温老化环境,对接头进行0、10、20、30天的老化。对老化后的粘接接头进行准静态拉伸试验和剪切试验,得到不同老化时间下铝合金-BFRP粘接接头的准静态失效强度。结合DSC和FTIR分析低温老化对BFRP复合材料的影响,并对粘接接头的失效断面进行宏观分析和SEM分析。结果表明:在低温老化环境中,胶粘剂与BFRP复合材料的化学性质受低温老化作用影响不大,BFRP中的官能团与玻璃化转变温度(T_g)没有发生明显的变化,接头的失效强度和失效模式主要受胶粘剂与粘接基材的热应力影响。对于拉伸接头,随着低温老化时间的增加,BFRP复合材料纤维与树脂基体间的结合力降低,铝合金-BFRP复合材料接头的失效断面中纤维撕裂的比例逐渐减少,拉伸接头失效强度逐渐下降。老化后剪切接头仍为内聚失效,BFRP复合材料的低温老化对铝合金-BFRP复合材料剪切接头的失效强度几乎没有影响,剪切接头失效强度的下降主要是胶粘剂与粘接基材热膨胀系数不一致引起的热应力的影响。采用二次应力准则公式对?10℃和?40℃低温环境下,拉应力、剪应力值随老化时间的变化规律进行了拟合,在此失效准则的基础上,根据响应面原理,建立接头失效强度随老化时间变化的三维曲面,为粘接技术在车身结构中的工程应用提供参考。      

桁架结构系统静强度与疲劳的耦合可靠性分析

根据结构可靠性分析理论和疲劳载荷对结构造成的损伤,建立了元件静强度和疲劳耦合可靠性分析的失效判别准则,给出了元件静强度失效时所对应的当量寿命,分析了元件静强度失效和疲劳失效之间的相互影响,进而讨论了结构系统静强度和疲劳的耦合可靠性分析方法。算例表明:在不同的使用年限内,静强度失效和疲劳失效对结构系统失效的贡献是不同的;在结构系统主要失效路径中既有元件静强度失效又有元件疲劳失效;若只考虑单一因素(或静强度、或疲劳)下的可靠性分析,可能会导致结构不安全。     

FRP复合材料剩余刚度退化复合模型

为建立剩余刚度与材料损伤量及剩余寿命的关系, 将纤维增强树脂复合材料(FRP)层合板在拉-拉疲劳载荷作用下的失效模式划分为纤维间破坏、纤维随机断裂与分层3种类型, 分析不同失效模式与剩余刚度退化量的定量关系, 提出一个集成各失效模式影响的剩余刚度退化复合模型。该模型适用于占寿命绝大多数比例的Ⅰ、Ⅱ阶段, 避免了Ⅲ阶段刚度降不确定性的影响。剩余刚度退化曲线按时间尺度归一化, 消除了试件个体分散性影响, 分散性显著降低。对4种E-glass/Epoxy玻璃纤维复合材料层压板与3种AS-4/聚醚醚酮(PEEK)碳纤维复合材料层压板的疲劳试验结果进行了统计分析, 表明本文模型适于精确描述复合材料的剩余刚度下降规律。      

基于LSI模型的品检机走纸系统稳定性分析

目的提高品检机整机走纸系统的稳定性。方法采用LSI强度干涉模型对单元进行理论建模,对比分析高速单张品检机整机串联系统单元独立失效和单元共载荷失效等2种不同失效形式下的系统可靠度。对系统进行定数截尾实验,测量参与单元数目发生变化时,系统2次故障间连续工作时间的变化,对整个串联系统的平均故障发生时间与理论值进行比较,绘制样条拟合曲线。结果单元共载荷失效模型样条曲线拟合度更高。结论对于服从指数分布的品检机串联系统,单元共载荷失效模型更能准确地评估整机的可靠度和稳定性。     

三向受压下单向复合材料层板破坏的细观力学分析

本文从细观力学出发,提出一种新的基于物理失效机制的细观失效准则。该准则基于Mohr-Coulomb准则并侧重考虑了压缩载荷下组分材料的损伤模式和失效机制,指出压缩失效时压应力会阻碍断裂面的剪切破坏,并深入研究了纤维压缩失效模式,在纤维折断失效准则中引入纤维折断破坏面上剪切强度的概念。采用本文提出的准则对WWFEII(the Second World Wide Failure Exercise)中单向板算例进行失效预测和定量评估,并与Puck、Pinho、Cuntze、Carrere、Tsai-Ha、Hansen和Huang准则的预测结果进行对比,表明在三向载荷下本文提出的细观失效准则在8种失效准则中拟排名第一。研究了静水压力对基体强度的影响,得出影响因子仅与单轴压缩断裂角有关的结论。探讨了WWFEII各强度准则间关于失效包线是"张开"还是"封闭"的重要分歧,认为复合材料在三向压应力状态下失效包线是否为"张开"和"封闭"没有统一的标准答案,而是与复合材料的纤维体积含量、纤维和基体的力学性能、基体随静水压力力学性能的变化及基体的单轴压缩断裂角有关。     

面向维修的机械系统可靠度预测与仿真研究

机电产品在服役期间因零件失效而产生故障,重组维修破坏了原有的系统可靠性模型,因而需要对设备可靠性问题重新进行研究和评价。基于机电系统中零件的失效时间分布密度函数,研究了在重组维护过程中机电系统服役期间零件年龄结构的分布规律,发展了机电系统可靠性数学模型。通过仿真研究,探讨了系统服役期间年龄结构、可靠度和失效率的发展规律,定量地研究了失效时间分布密度函数的参数对系统可靠度的影响。这对于评估机械系统的可靠性和全生命周期的失效率,制定合理的维修策略具有重要意义。     

贴补复合材料层合板的分析及参数影响

建立贴补复合材料层合板的三维有限元模型,采用渐进失效分析方法分析了贴补结构在拉伸载荷下的失效模式和极限强度。计算结果与实验结果吻合良好,证明模型可以准确地预测贴补结构的极限强度。分析结构的渐进失效过程,根据结构失效时的主导因素将贴补结构的失效模式分为补片失效、胶层失效和混合失效。研究不同补片直径和厚度下贴补结构的失效模式,结合结构的失效模式,讨论贴补参数的变化对贴补结构极限强度的影响,为复合材料贴补时参数的选择提供了一些设计规律。     

YSZ多孔陶瓷的孔隙结构特征及压缩强度研究

以3%(摩尔分数)Y₂O₃稳定的ZrO₂为原料、异丁烯与马来酸酐共聚物(Isobam-104)为分散剂和凝胶剂、十二烷基三甲基氯化铵(DTAC)为发泡剂,采用球磨发泡法制备出氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)多孔陶瓷。研究浆料固含量对YSZ多孔陶瓷制品孔隙结构和压缩强度的影响规律,以及压缩失效机制变化特点。结果表明：在相近发泡率的条件下,固含量在30.5%～33.5%(体积分数)范围内小幅度增加时,所制备的YSZ多孔陶瓷的总孔隙率和平均孔胞尺寸逐渐减小,压缩强度增加;所制备的样品的总孔隙率为79.9%～88.4%,压缩强度为4.7～17.2 MPa,材料的压缩强度与总孔隙率之间的关系同Rice模型相符合;在压缩载荷作用下YSZ多孔陶瓷呈现伪塑性变形,失效破坏的主要形式为剪切破坏。     

基于循环载荷的单搭胶接接头残余强度分析

为研究循环载荷下单搭胶接接头的残余强度及失效机理,以5052铝合金单搭胶接接头为研究对象,先后对其进行静强度测试、疲劳强度测试和残余强度测试,引入威布尔分布对试验数据进行分析,检验其有效性,并采用超声扫描显微镜和扫描电子显微镜对失效胶层进行失效机理分析。结果表明,在疲劳循环载荷作用下,接头刚度基本稳定,而残余强度随着疲劳循环载荷周次的增加,呈现出先增大后减小的变化趋势;疲劳裂纹从接头搭接端部的界面端点处开始萌生,并快速向中间扩展,当疲劳循环达到一定次数时,胶层瞬间断裂,裂纹萌生阶段几乎占据了其全部疲劳寿命,失效后的胶层会出现"凹台"状微观结构。