随机载荷作用下船舶结构疲劳裂纹扩展

基于船舶等工程结构物在服役过程中的受载历程是一个随机过程,提出了一个由应力比和裂纹尖端约束及塑性区尺寸为主要参数计算裂纹张开比来考虑载荷相互作用的疲劳裂纹扩展寿命计算模型.用该模型对几种谱载荷作用下疲劳实验结果进行了预测.预测结果和不考虑裂纹闭合的线性损伤模型及疲劳计算程序FASTRAN预测结果进行了比较,表明本模型能较好地预测谱载荷作用下的疲劳裂纹扩展.     

基于等效初始缺陷尺寸和功率谱法的起重机疲劳寿命预测

基于Kitagawa-Takahashi图提出了一种计算起重机金属结构等效初始裂纹尺寸及其统计学分布的方法,此方法的优点在于只用到疲劳寿命极限和疲劳裂纹扩展门槛值,与随机变化的载荷应力无关.为计及载荷次序以及裂纹闭合效应对疲劳寿命的影响,基于载荷的功率谱密度,给出了一种频域分析的起重机疲劳寿命预测方法.为验证所提方法的有效性,将文中方法的预测结果与文献中的起重机箱形梁的疲劳实验结果进行对比,结果表明估算寿命与实验寿命吻合,文中方法具有实用性和可靠性.     

用于二维分布残余应力场测量的渐进裂纹柔度法

基于传统裂纹柔度法,提出了一种改进的残余应力测量方法——渐进裂纹柔度法.与传统方法只能获得沿厚度方向一维分布的残余应力不同,该方法可以获得工件横截面内二维分布残余应力场.建立了该方法的理论模型,并对二元基函数的选取、渐进裂纹柔度函数的计算以及待定系数方程的求解方法进行了阐述.通过仿真实验用该渐进裂纹柔度法测量了给定二维分布残余应力场.仿真测量结果与给定残余应力场的大部分区域相对误差小于5%,只在边缘部分误差较高.通过模拟研究多种应变测量误差的影响,证明了该方法具有较好的鲁棒性及准确性.渐进裂纹柔度法由于能测量二维分布残余应力场,应用范围较传统方法更为广泛,为残余应力测量提供了新方法.     

轴承钢硬切削表面残余应力对滚动接触界面疲劳寿命的影响

为了预测轴承钢硬切削表面残余应力对滚动接触寿命的影响规律,基于高级非线性有限元分析软件MARC,建立了具有平面应变特征的二维滚动接触寿命预测模型,并在二维有限元模型的表面和次表面对应施加了轴承钢硬切削实验所测残余应力,模拟计算典型服役条件下的滚动接触应力;采用基于S N寿命理论的Miner法则,计算轴承钢滚动界面的疲劳接触寿命,分析了在不同摩擦系数、滚动接触频率和外加载荷工况下,硬切削残余压应力对疲劳寿命的影响.结果表明,硬切削残余压应力可使轴承钢的滚动接触疲劳寿命提高10％~30％.其中,载荷对滚动接触疲劳寿命影响最大,摩擦系数的影响最小.     

循环载荷下喷丸残余应力松弛特性的数值仿真

喷丸引入的残余压应力场可以有效地提高材料的疲劳抗性,但该残余应力并非一成不变,其在循环载荷作用下的松弛特性会减少喷丸对材料疲劳抗性的增益效果.为了快速、便捷地得到稳定状态的喷丸残余应力场,文中建立了一种用于预测循环载荷下喷丸残余应力松弛的数值方法,应用该方法成功得到了7075铝合金试样在不同喷丸强度及载荷强度下的稳定残余应力场,仿真结果与采用X射线衍射法得到的实验结果相吻合,从而验证了该数值方法的正确性.采用该数值方法,文中还进一步研究了疲劳载荷循环次数、应力比、初始残余应力场及喷丸引入的塑性应变等因素对喷丸残余应力松弛的影响.     

基于热-结构耦合的高炉无钟炉顶阀箱疲劳寿命预测

根据装料设备的工作流程,确定阀箱3种最不利的载荷工况;基于热-结构耦合理论并利用有限元分析软件ANSYS研究阀箱在温度载荷和机械载荷作用下的热-结构耦合问题,得到实际工况下阀箱的温度场、应力场以及危险部位的应力谱;依据裂纹萌生和扩展理论对阀箱进行疲劳寿命预测.研究结果表明,在3种载荷工况作用下阀箱应力均低于材料的屈服强度,其安全系数为1.8～3.2,且阀箱的变形在允许范围之内,阀箱静强度及刚度满足要求;阀箱疲劳寿命大于107,也满足要求.     

多处损伤LY12 CZ铝合金加筋板疲劳裂纹扩展研究

进行了多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的疲劳裂纹扩展的分析与试验研究.给出了典型的随机载荷谱下铝合金加筋板多裂纹扩展的预计方法.用组合法和类比法计算多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的应力强度因子.考虑每个载荷循环裂纹之间的相互作用影响,以Walker裂纹扩展公式和Willenborg-Chang裂纹扩展公式为基础,用循环续循环进行裂纹累积,用虚拟施加剩余强度载荷和裂尖韧带塑性区连通判据确定临界裂纹尺寸.进行了恒幅谱载荷及程序块谱载荷下加筋板多裂纹的扩展试验研究.对比了铝合金多裂纹扩展的分析预计结果和试验结果,对比结果表明,预测的寿命与试验结果吻合较好.     

风电增速箱输出级齿轮副疲劳寿命有限元分析

建立了风电增速箱输出级斜齿轮副的三维接触有限元模型,计算了静载荷作用下齿轮副的应力应变;基于齿轮材料的疲劳试验常数,计算了材料的近似S-N曲线;对风电增速箱真实载荷谱20种工况的载荷历程进行雨流计数,得到载荷循环数、均值与幅值的关系。在FE-SAFE软件中,对斜齿轮副接触模型进行疲劳寿命分析,研究了载荷、表面粗糙度、残余应力以及轮齿修形量对齿轮副疲劳寿命的影响规律。结果表明,齿轮副应力集中处有少数低寿命点,齿轮副寿命随载荷及齿面粗糙度的增大而减小,残余拉应力使疲劳寿命减小,而残余压应力可使疲劳寿命增大,适度修形可提高齿轮的疲劳寿命。     

基于动载荷谱的齿轮弯曲疲劳寿命预测

为了探讨齿轮弯曲疲劳寿命计算问题,将齿轮疲劳总寿命分为两个阶段,即疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命.通过ADAMS软件仿真实验齿轮的工作情况,使其接近真实状况,得到齿轮载荷谱.根据齿轮载荷谱,利用有限元ANSYS软件分析在齿轮齿根危险截面处的最大应力.采用断裂力学、雨流法和Miner疲劳损伤累积模型,对考虑动载荷情况下的齿轮弯曲疲劳寿命进行预测,推导了齿根裂纹萌生期和扩展期的疲劳寿命计算公式.在高频疲劳试验机上对算例齿轮进行了双齿脉动加载齿根弯曲疲劳寿命实验研究,理论计算结果与实验结果基本吻合,验证了本文理论分析的正确性.     

基于实测载荷谱的高速列车轮轴剩余寿命分析

针对检修周期内轮轴是否会发生破坏断裂的问题,研究了轮轴的裂纹扩展寿命.通过标定试验与线路实测试验,采用数据处理分析软件统计出了各个载荷下车轮旋转出现频次,得到了中国标准动车组测力轮对载荷谱.将最恶劣工况的载荷谱作为裂纹扩展分析的输入载荷,利用裂纹扩展分析软件计算了含裂纹的车轴在不同扩展阶段的应力强度因子,结合疲劳裂纹扩展理论估算了车轴上不同初始形状的裂纹扩展到临界尺寸时的扩展寿命,为保证检修周期内车轴不发生破坏断裂提供了科学参考.结果表明:裂纹初始深度相同的情况下,裂纹形状越扁平,车轴剩余寿命越短,裂纹扩展门槛值对裂纹扩展寿命影响较大.     

采用威布尔分布的道岔梁的寿命预测及评估

由于跨座式单轨车辆行驶的道岔梁受循环动载荷作用时会在局部产生裂纹,循环作用的应力或应变作用次数积累后,焊缝脆弱区会产生疲劳断裂,故文中借助有限元理论和疲劳损伤累计理论对道岔梁进行寿命预测.基于静态叠加法,借助多体动力学软件ADAMS,建立动力学仿真模型并获取载荷谱;在有限元软件中获得单位载荷下的应力-应变结果,并利用疲劳分析软件Femfat对焊缝进行建模,定义其接头类型,进行仿真计算.结合实际运行工况对焊缝进行寿命预测,结果表明:在极限工况下,焊缝疲劳强度能满足实际工况的运营需求.     

变幅载荷疲劳裂纹扩展预测模型

为克服变幅载荷疲劳裂纹的预测中受到的实验成本、时间、载荷谱型等诸多因素的限制,在常幅载荷下S-N曲线与疲劳裂纹扩展曲线关系的基础上,研究了变幅载荷下两曲线之间的关系,并结合疲劳累积损伤理论,推导了块谱载荷裂纹扩展裂纹长度的预测方法,同时考虑了超载迟滞效应的影响,最后进行了实验研究.实验与计算结果表明该方法有效、便于工程应用,该方法可用于结构设计阶段对疲劳裂纹扩展寿命的预测.     

重载列车E级钢钩舌疲劳裂纹扩展条件及寿命预测

对重载列车E级钢钩舌进行了应力分析,导出了钩腕面裂纹的应力强度因子表达式.采用我国20 000 t列车车钩载荷谱,对钩腕面疲劳裂纹扩展的条件及扩展寿命进行了预测,并确定钩腕面裂纹的临界断裂尺寸,计算所得钩舌寿命与列车实际运行年限相一致.     

铝合金材料残余应力及缺陷对裂纹扩展的影响

对于铝合金材料中存在的Ⅰ型裂纹及混合型预裂纹,研究了残余应力及其材料中存在的缺陷对其扩展方向的影响.对应于实验过程中的实际裂纹,通过有限元解析模拟计算出无残余应力状态下裂纹端部的应力强度因子KⅠ和KⅡ,从理论上利用Erdogan-Sih的б0假说对裂纹的扩展方向作了预测.结果表明,无论是Ⅰ型预裂纹还是混合型预裂纹,其预测的裂纹扩展方向都与裂纹扩展的实验结果基本吻合.即裂纹的扩展方向主要受到循环载荷的影响,而与残余应力无关.     

多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的疲劳裂纹扩展研究

进行了多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的疲劳裂纹扩展的分析与试验研究。给出了典型的随机载荷谱下铝合金加筋板多裂纹扩展的预计方法。用组合法和类比法计算多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的应力强度因子。考虑每个载荷循环裂纹之间的相互作用影响,以Walker裂纹扩展公式和Willenborg-Chang裂纹扩展公式为基础,用循环续循环进行裂纹累积,用虚拟施加剩余强度载荷和裂尖韧带塑性区连通判据确定临界裂纹尺寸。进行了恒幅谱载荷及程序块谱载荷下加筋板多裂纹的扩展试验研究。对比了铝合金多裂纹扩展的分析预计结果和试验结果,对比结果表明,预测的寿命与试验结果吻合较好。     

纤维增强铝锂合金层板不同加载方式下的疲劳性能

对纤维增强铝锂合金2/1层板及3/2层板材料进行疲劳寿命试验,通过对每种材料试样施加不同循环特征的循环应力(恒幅循环应力,应力比为R=-1;高-低加载,Mini-Twist谱载),共获得了6种应力-寿命试验数据.使用样本信息聚集原理,拟合出了各材料的P-S-N曲线.通过比较相同加载方式不同材料的S-N曲线的差异,对比分析了不同复合结构的材料疲劳性能的特点.结果表明:在5×10~4~5×10~5寿命范围内,恒幅R=-1及高-低加载载荷下,纤维增强铝锂合金3/2层板疲劳寿命性能均优于2/1层板;Mini-Twist谱载下,纤维增强铝锂合金3/2层板的疲劳性能总体上也优于2/1层板.     

基于动载荷谱的齿轮弯曲疲劳寿命预测

为了探讨齿轮弯曲疲劳寿命计算问题,将齿轮疲劳总寿命分为两个阶段,即疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命。通过 ADAMS 软件仿真实验齿轮的工作情况,使其接近真实状况,得到齿轮载荷谱。根据齿轮载荷谱,利用有限元ANSYS 软件分析在齿轮齿根危险截面处的最大应力。采用断裂力学、雨流法和 Miner 疲劳损伤累积模型,对考虑动载荷情况下的齿轮弯曲疲劳寿命进行预测,推导了齿根裂纹萌生期和扩展期的疲劳寿命计算公式。在高频疲劳试验机上对算例齿轮进行了双齿脉动加载齿根弯曲疲劳寿命实验研究,理论计算结果与实验结果基本吻合,验证了本文理论分析的正确性。     

功能梯度材料板断裂分析

为深入理解功能梯度材料的断裂行为,研究了机械载荷下任意机械属性功能梯度材料板裂纹尖端特性,根据叠加方法,把应力场转化为裂纹表面载荷,采用基于非均匀单元的有限元方法计算并分析了机械载荷下功能梯度板裂纹尖端特性,针对含有中心裂纹功能梯度材料板,考察了应力强度因子的变化规律.研究结果表明,功能梯度材料结构的几何参数及材料属性对裂纹尖端无量纲应力强度因子的变化规律具有显著影响.     

随机疲劳载荷谱加重对单裂纹扩展寿命的影响

疲劳载荷谱加重已成为加速试验的重要研究内容;它对单裂纹扩展影响的研究很有价值。以Paris裂纹扩展模型为基础,进行理论推导。提出了单裂纹在加重谱作用下裂纹扩展寿命的估算方法,分别是基于循环次数的次估算法和基于谱块数的块估算法。利用原始载荷谱的试验结果分别计算得到加重谱下的两种估算结果,设计试验对估算结果进行验证,证明了方法的可行性。研究结果可作为加快全尺寸飞机结构疲劳试验的参考。     

疲劳载荷谱加重对单裂纹扩展影响研究

疲劳载荷谱加重已成为加速试验的重要研究内容,它对单裂纹扩展影响的研究很有价值。以Paris裂纹扩展模型为基础,进行理论推导,提出了单裂纹在加重谱作用下裂纹扩展寿命的估算方法,分别是基于循环次数的次估算法和基于谱块数的块估算法;利用原始载荷谱的试验结果分别计算得到加重谱下的两种估算结果,设计试验对估算结果进行验证,证明了方法的可行性。研究结果可作为加快全尺寸飞机结构疲劳试验的参考。