考虑缺口效应的多轴疲劳寿命预估模型

为研究缺口构件的多轴疲劳问题,基于损伤力学理论,结合von Mises等效准则的思想,建立一个考虑缺口效应的多轴损伤本构方程,综合考虑正应力和切应力在多轴损伤过程中所起的作用,提出一种适用于缺口件的多轴疲劳寿命预估模型.采用GH4169镍基高温合金、SAE1045钢和LY12CZ铝合金3种材料的缺口件多轴疲劳实验数据对所提出的模型进行评估和验证.结果表明:新模型的精度要高于传统的局部应力应变法,且与实验结果相吻合;同时新模型计算方便,便于工程应用.     

基于临界面损伤参量的金属材料多轴疲劳寿命预测

对最大剪切应变幅模型、KBM模型、FS模型和MKBM模型4种广泛讨论的临界面模型进行了对比分析,统计了8种金属材料圆管薄壁型试件在173个应变加载工况下的多轴疲劳试验数据,验证了这4种临界面模型对金属材料多轴疲劳寿命的预测能力,讨论了基于临界面损伤参量进行多轴疲劳损伤评估和寿命预测时仍需关注的几个主要问题.研究结果表明:最大剪切应变幅模型和KBM模型能较好地适用于多轴比例加载条件下的疲劳寿命预测,而对多轴非比例疲劳寿命的预测结果一般偏于危险估计;FS模型和MKBM模型在损伤控制参量中引入了一个临界面上的最大法向正应力参数来反映材料的非比例附加强化效应对多轴疲劳损伤的影响,显著提高了对多轴非比例疲劳寿命的预测能力.     

圆柱/平面径向微动磨损特性及其对疲劳寿命的影响

从微动磨损特性出发,建立圆柱/平面微动磨损分析模型,通过ANSYS计算接触面的接触应力状态和接触面的相对滑移量,得到接触面的接触半径和微动磨损状况.将微动磨损条件下的疲劳寿命划分为微动磨损阶段、疲劳裂纹萌生和裂纹扩展3个阶段,给出接触疲劳应力下3个阶段的疲劳寿命计算方法,结合圆柱/平面径向微动磨损实例进行疲劳寿命估算.结果表明,接触面的应力集中导致裂纹萌生点,将单次施载的磨损量工况下疲劳寿命进行比较,得出微动磨损使构件的疲劳寿命降低,无微动磨损下疲劳寿命约为107.     

多轴载荷下GH4169合金疲劳寿命预测

基于多轴疲劳临界损伤面原理,在对GH4169合金薄壁圆管和缺口试件的高温疲劳特性及有限元应力-应变关系进行分析的基础上,通过引入三轴因子FT,应用von-Mises准则提出了一个能够适用于GH4169合金不同应力状态的多轴疲劳损伤参量.新的损伤参量考虑了临界面上最大剪应变和法向应变对多轴疲劳损伤的不同以及应力状态对多轴疲劳寿命的影响.该多轴疲劳损伤参量不含有经验常数,便于工程应用.利用新的多轴疲劳损伤参量,结合Manson-Coffin方程,建立了新的多轴疲劳寿命预测模型.预测结果表明,该模型较准确地预测了GH4169合金薄壁圆管和缺口试件的高温多轴疲劳寿命.     

考虑应力梯度及附加强化的多轴疲劳寿命预测

以多轴缺口件为研究对象,考虑应力梯度和非比例附加强化对疲劳寿命的影响,建立一种适用于多轴缺口件的疲劳寿命预估模型.首先,以最大剪切应变幅作为损伤参量,借助坐标变换原理确定临界面位置,研究了裂纹萌生和扩展的物理机制;其次,利用有限元方法获得临界面上非均匀应力场,提取特定路径上的应力分布并进行归一化处理,给出多轴加载时的等效应力梯度因子;最后,考虑相位差的影响提出一种新的非比例附加强化因子,基于Manson-Coffin方程提出了一种多轴疲劳寿命预测方法.将本文模型、Smith-Watson-Toper(SWT)模型和Manson-Coffin方程的计算结果与实验寿命进行对比,结果表明本文方法的预测精度高于SWT模型和MansonCoffin方程.     

圆锥过盈联接几何参数对其接触面微动损伤的影响

针对圆锥过盈联接接触面的微动损伤,重点讨论其轴套配合的几何参数与微动损伤的关系,运用平面应力应变求解法和数值模拟法,建立圆锥过盈联接的力学和有限元模型,分析不同套管槽数、配合长度、锥度和套管壁厚对轴和套管结合面的应力分布及接触状态的影响,研究接触应力和摩擦切应力随几何参数的变化规律,并进一步揭示该类联接的微动损伤机理。结果表明,圆锥过盈联接的接触面应力分布不均匀;随着套管槽数和锥度的增加,接触应力及摩擦切应力增大,接触面的滑移区减小;随着配合长度和套管壁厚的增大,接触应力和摩擦切应力减小,接触面滑移区增大。     

基于Morris法滑动磨损与接触疲劳耦合损伤寿命分析

针对线接触滑动磨损与接触疲劳耦合损伤荷载摩擦副系统，结合改进Archard磨损模型、临界平面法和虚拟裂纹扩展法，建立了一种滑动磨损与接触疲劳耦合损伤分析模型.基于Morris灵敏度分析方法，提出了耦合损伤接触疲劳灵敏度贡献比，建立了一种基于灵敏度贡献比滑动磨损与接触疲劳耦合损伤寿命预测方法.结果表明：耦合损伤寿命明显小于单一损伤寿命；接触压力、接触宽度和曲率半径对耦合灵敏度具有显著影响，接触疲劳损伤贡献比与显著影响参数基本呈线性关系；耦合损伤寿命预测结果与计算结果基本一致，验证了耦合寿命预测模型的可用性.     

高温多轴比例与非比例循环加载下疲劳寿命预测

利用薄壁圆管和缺口试样,在MTS 809电液伺服材料试验系统上对GH4169合金的高温多轴疲劳特性进行了实验研究. 实验采用对称轴向和扭转应变控制、比例与非比例循环加载,轴向与扭转应变的相位差分别为0°,45°,90°. 通过对薄壁圆管和缺口试样的高温多轴疲劳寿命特性分析,基于临界面方法提出了一个的多轴疲劳寿命预测模型,在考虑临界面上最大剪应变和正应变对多轴疲劳损伤贡献的同时,还引入了应力状态对多轴疲劳寿命的影响因素. 应用新模型对GH4169合金高温多轴疲劳寿命进行预测结果表明,该模型对于缺口试样和薄壁圆管的高温多轴疲劳寿命估算具有较高的准确性.     

基于临界平面法的复合材料多轴疲劳损伤参量研究

基于临界平面方法，提出一种用于纤维增强复合材料的多轴疲劳损伤参量，研究了复合材料多轴疲劳损伤特征．同时设计出一种缠绕复合材料管状试样，进行了拉扭双轴疲劳实验研究．根据双轴载荷条件下管状试样的应力-应变分析及双轴疲劳实验结果，绘制出了基于临界平面的多轴损伤参量与疲劳寿命关系图，可对不同缠绕角的复合材料疲劳寿命进行预测．结果表明：与传统的应力-寿命预测曲线相比较，新的疲劳损伤参量更适合于复合材料的多轴疲劳研究，计算结果与实验结果吻合较好．     

复合材料层压板疲劳寿命预测方法

测定了碳纤维／树脂基T300／QY8911复合材料的3组典型单轴循环应力下的S-N曲线．基于试验数据，建立了多轴循环应力作用下单向板的寿命模型，并通过整合平面应力分析、失效分析和材料性质退化模块模拟多向层压板的疲劳失效过程．这种方法试图基于单向板在确定应力比下的疲劳试验结果，预测同种材料体系的任意铺层形式的多向层压板在复杂循环应力作用下的疲劳寿命．对于以分层破坏为主控因素的层压板，基于层间应力的计算结果，用计算面内累计损伤的方法计算分层损伤，层压板的寿命等于分层扩展寿命和分层后子层板剩余寿命之和．考虑分层扩展后，层压板的寿命预测结果得到明显改善．     

两级复合载荷下铝合金疲劳寿命预估

高低周或低高周复合载荷作用下的疲劳破坏广泛存在于飞机发动机等结构中。基于多机制损伤耦合模型,分别建立了高低周、低高周两级加载下金属疲劳寿命预估模型。通过LY12CZ铝合金两级加载疲劳试验对提出的低高周复合疲劳寿命预估模型进行了验证,并将其与Miner线性模型进行了对比。结果表明:提出的低高周复合疲劳寿命预估模型预测结果更为准确。     

强激光驱动微颗粒高速冲击下铝合金材料的动态力学行为

微颗粒冲击条件下铝合金材料的动态力学行为研究，对保障铝合金部件在极端环境下结构设计和安全防护性能至关重要. 针对2024铝合金材料，采用强激光驱动微颗粒高速冲击实验和数值模拟，研究其微弹道冲击行为. 首先通过强激光驱动微颗粒冲击实验，获得了常温条件下冲击过程中微颗粒的能量损失与铝合金板材冲击的局部变形行为，并对有限元模型进行了验证；基于相场动力学模拟，获得了接近熔点温度的固液共存铝合金的微结构特征，并建立了流固耦合计算模型，给出了不同温度下铝合金材料的冲击能量耗散特性、应力分布规律与变形失效行为. 数值模拟结果表明，动态加载下固液共存态铝合金中的流固耦合效应对铝合金的宏观动态力学行为有重要影响；固液共存铝合金材料的吸能效率更低，且由于固相枝晶的相互作用，使应力的传递路径发生明显变化.      

LY12CZ铝合金微动疲劳特性研究

选用LY12CZ铝合金材料作为研究对象,以试验为基础,研究了LY12CZ铝合金的微动疲劳特性。结果表明:在运行工况微动图中,接触压力是影响接触区面积分布的最主要因素。在材料响应微动图中,微动区域的破坏形式完全依赖于循环次数。LY12CZ铝合金的微动磨损机理包括表面划伤和粘着、磨屑的形成、氧化物形成三个阶段,而微动疲劳损伤包括划痕的产生、微裂纹的形成、氧化颗粒的出现、裂纹从蚀坑底部产生四个过程。     

航空铝合金预腐蚀疲劳寿命退化规律

航空铝合金材料在服役过程中常因腐蚀损伤而导致疲劳断裂问题,通过采用扫描电镜及疲劳寿命测试等方法,研究了不同预腐蚀损伤对2xxx铝合金在不同应力比下疲劳寿命的影响,探讨了预腐蚀损伤对疲劳裂纹萌生扩展的影响机理.结果表明:预腐蚀损伤对2xxx铝合金材料疲劳寿命的影响显著,材料的疲劳性能随着腐蚀损伤程度的增加而明显下降.同时建立了预腐蚀损伤对材料疲劳极限的影响系数C-T-R模型,材料疲劳极限的影响系数C随着预腐蚀时间的增加或者应力比R的增加而变大.断口分析表明,预腐蚀损伤的存在导致裂纹萌生寿命大大缩短,裂纹萌生由单源转变为多源,并且均萌生于腐蚀坑处.     

混凝土与混凝土接触特性的试验研究

为分析混凝土与混凝土接触特性,采用直剪试验和单轴压缩试验分别研究了混凝土与混凝土接触法向和切向接触特性。试验结果表明接触面剪切应力随剪切位移变化过程可分为弹性变形阶段、塑性硬化变形阶段;剪切应力达到峰值后,接触面仍处于较高的应力状态,试件局部位置出现破坏。Archhard非线性摩擦幂次准则能够较好的描绘出剪切应力峰值与轴向应力的关系,为相似接触条件问题剪切应力峰值的估计和预测提供依据。在混凝土未产生破坏时,接触面的法向和切向接触刚度可分别取值为28.95、12.77MPa/mm,为相似接触条件的分析计算提供参考。     

多次紧急制动工况下的鼓式制动器热-结构耦合分析

针对汽车鼓式制动器在制动过程中的开裂失效问题,基于运动学、动力学、摩擦学与热-结构耦合的综合分析技术及实验技术,建立了三维瞬态热-结构耦合理论模型及有限元模型;分析多次紧急制动工况下制动鼓温度场和应力场在径向、周向、轴向的分布特征,得到了结构场与温度场的耦合作用结果 ;分析了温度、应力应变、压力三者间的相互耦合作用规律.结果表明:制动鼓的开裂失效主要处于温升大的区域,是由热应力引起的热疲劳失效,且由于周向压应力比径向和轴向压应力大,从而导致制动鼓的裂纹方向均为沿轴向伸展.     

6005 A铝合金的表面损伤对其耐海水腐蚀性能的影响

以6005A铝合金商品实际产生的表面少缺陷、多缺陷试样,以及作为比较的完全去除商品表面膜的人工磨制的三种不同表面状态试样为研究对象,研究铝合金商品表面的实际损伤对其耐海水腐蚀性能的影响及其腐蚀电化学行为.通过场发射扫描电镜和激光共聚焦扫描显微镜对具有不同表面状态的6005A铝合金表面形貌和粗糙度进行了表征,表明铝合金商品实际产生的表面缺陷主要为划伤,体现在随着表面缺陷的增多,表面粗糙度Ra明显增大,表面粗糙度Ra大小可以定量描述表面损伤的严重程度.6005A铝合金在NaCl质量分数3.5％的模拟海水溶液中发生全面腐蚀和点蚀,表面缺陷越多,粗糙度越大,耐蚀性越差;电化学测试结果表明,表面缺陷越多,粗糙度越大,腐蚀电位越低,腐蚀电流密度越大,耐蚀性越差.6005A铝合金表面损伤对其耐海水腐蚀性能产生影响的原因为:表面损伤造成铝合金商品原表面膜被破坏,表面缺陷越多,粗糙度越大,表面膜的破坏和表面塑性变形越严重,铝元素会因为被活化而迅速溶解,有着更高的腐蚀速率,而缺陷较少表面有较为均匀致密的氧化膜,对基体有着较好的保护性.     

铝合金大铸锭超声半连铸多场耦合的数值模拟与实验研究

建立了超声场下直径630 mm的铝合金大铸锭热顶半连铸过程中多场耦合的数学模型,采用有限体积法及自定义函数获得超声作用下结晶器内声场、流场和温度场的分布,并进行工业化实验研究。综合工业实验和仿真结果分析超声对热顶半连铸铝合金大铸锭细晶的机理。模拟结果表明,超声波对宏观物理场的影响非常明显,施加超声后,辐射杆端面下方形成向上的回流区,强烈的紊流促进铝熔体的传质传热,减小液穴深度,使液穴更加平缓,同时初始凝壳点下移,过渡带变窄,铸锭中心处过渡带宽度从342 mm减小到120 mm左右。分析实验结果发现,经超声处理,铸锭组织普遍变得细小、均匀,平均晶粒尺寸减小103μm,最大最小晶粒尺寸差从135μm减小到64μm,且凝固组织晶界变细。     

带肋钢筋与堆石料接触面剪切特性

设计了一种用于堆石料中筋材拉拔试验的试验装置,并开展了带肋钢筋在堆石料中的一系列拉拔试验,研究钢筋-堆石料接触面的剪切特性。试验结果表明:接触面的剪应力-剪切位移关系曲线均呈明显的非线性关系,形状类似于下端开口的抛物线;堆石料上覆压力对试验结果影响较大,随着上覆压力的增加,峰值和残余剪应力均逐渐增加,但峰值剪切位移逐渐减小。此外,基于损伤力学理论建立了一个接触面损伤本构模型,该模型能较好地模拟上覆压力对接触面剪切特性的影响,以及剪应力-剪切位移曲线的应变硬化、应变软化、残余状态等非线性特征。     

铝合金薄壁挤压管在准静态和动态载荷下的有限元模拟

使用韧性损伤判据,剪切损伤判据和MSFLD损伤判据分别对铝合金薄壁管在三点弯曲(3PB)和轴向冲击载荷作用下的试验进行有限元模拟.模拟结果表明:铝合金薄壁管在三点弯曲(3PB)和轴向冲击载荷作用下,随着薄壁管上的应力状态的不断变化,损伤形式主要是韧性损伤,剪切损伤和MSFLD损伤的组合,单一的损伤模型无法全面地描述铝合金薄壁管在复杂应力条件下的损伤及变形行为.模拟结果的载荷-位移曲线与试验的载荷-位移曲线吻合得很好.同时,轴向冲击模拟结果显示出铝合金薄壁管具有很好的吸能性.