基于扩展有限元法的含损伤深滚压车轴剩余寿命预测

铁路车轴在运用过程中承受大量循环疲劳载荷,且其完整性可能被破坏,因此存在疲劳失效的风险.为防止车轴疲劳失效的发生需对含缺陷损伤车轴进行剩余寿命评估.采用用户子程序SIGINI及二次迭代法重建车轴深度方向的残余应力场,研究深滚压处理后的EA4T合金钢车轴的疲劳裂纹扩展行为.同时综合考虑车轴压装配合过程及车轴所承受的实际轮轴服役载荷谱,并基于扩展有限元方法对含初始裂纹的EA4T车轴进行应力强度因子计算.采用断裂力学评估方法对全尺寸EA4T车轴剩余寿命进行预测.研究结果表明,当初始裂纹深度方向尺寸在残余应力层范围内裂纹不会扩展;当裂纹位于车轴中部时,动、拖车车轴临界破坏尺寸分别为7和9 mm,对应剩余寿命分别为47.13万公里和101.35万公里;当裂纹位于车轮内侧圆弧过渡处时,动、拖车车轴临界破坏尺寸分别为4.5和5 mm.本研究结果可为深滚压处理后的EA4T车轴无损探伤检修间隔优化提供参考.     

考虑压装和实测动应力的含缺陷空心车轴剩余寿命评估

实测获得时速385 km高速列车空心车轴的动应力后,基于线弹性断裂力学和塑性致裂纹闭合效应,采用20节点等参退化奇异单元逼近裂纹前缘,建立考虑车轮、齿轮与车轴的压装配合约束,分别在轴肩、轮-轴压装区、轮-齿过渡区或卸荷槽、齿-轴压装区和轴身等5个部位插入垂直于车轴中心线的半椭圆形裂纹,对含缺陷车轴进行损伤容限分析和剩余寿命评估.研究发现,对于深度为2 mm的单个半椭圆形表面裂纹,含缺陷轮-轴卸荷槽、轴肩、轮-轴压装区和齿-轴压装区的可运行总寿命分别约为7.9×10~4,58.7×10~4,372.5×10~4和823.9×10~4 km,由于轴身中部的裂纹尖端为典型的压缩应力状态,判定其不扩展.分析结果为我国更高速度级空心车轴安全设计与可靠服役提供了重要的理论依据和科学支撑.     

前处理与超音速火焰喷涂金属陶瓷涂层对TC21钛合金疲劳性能的影响

为研究喷砂与喷丸前处理及超音速火焰喷涂(HVOF)WC-17Co金属陶瓷涂层对新型超高强度TC21钛合金疲劳性能的影响,利用旋转弯曲疲劳试验机研究了疲劳性能的变化规律,利用X射线衍射仪、表面粗糙度仪、显微硬度计、扫描电子显微镜和X射线应力测试仪等分析了前处理及涂层的基本特性与表面完整性.结果表明,喷砂与喷丸前处理均可以在TC21钛合金表面引入残余压应力;HVOFWC-17Co涂层与钛合金基材结合紧密,涂层硬度显著高于钛合金的表面硬度,但涂层的次表层存在一定的残余拉应力.喷丸能够显著提高TC21钛合金的疲劳抗力,主要归因于喷丸引入了表面残余压应力;喷砂对钛合金疲劳抗力无显著影响,此归因于喷砂引入的表面残余压应力与造成的表面缺口效应的相互抵消.TC21钛合金喷砂后进行WC-17Co涂层处理,其疲劳抗力较基材显著降低,此归因于HVOF过程的热效应极大地松弛了喷砂表面的残余压应力,WC-17Co涂层韧性低、含孔洞型缺陷、且有残余拉应力,以及喷砂造成的钛合金表面缺口效应的综合作用.TC21合金喷丸后进行WC-17Co涂层处理,其疲劳抗力较基材有所降低,但降低的程度比喷砂预处理试样小这是因为喷丸处理改善疲劳抗力的有利作用部分弥补了WC-17Co涂层及HVOF高温效应对疲劳抗力的不利影响.     

铝锂合金高速铣削表面完整性实验研究

铝锂合金密度低、比强度高、比刚度高等优良特性使得其成为新一代航空航天飞行器的主要结构材料.飞机蒙皮作为维持飞机外形的主要结构件,在飞机起飞降落过程中承受舱内外压差变化所引起的交变载荷作用,因此对于蒙皮结构零件的疲劳强度要求十分苛刻.零件的疲劳裂纹萌生往往是从表面的微观缺陷开始,并且表层以及亚表层的力学状态将影响裂纹萌生以及扩展速度.表面完整性包括表面的几何轮廓、显微硬度、金相组织、残余应力等,这些因素综合影响着零件的疲劳性能.与此同时,表面完整性表征参数与被加工材料属性、热处理状态以及加工工艺等具有密切的联系.研究了铝锂合金的机械铣削加工工艺对于其表面完整性的影响.传统蒙皮结构加工往往采用化学铣削的方法进行,占用厂房面积大,污染严重,废液处理费用高等,不符合现代可持续绿色制造的理念.目前对于铝锂合金的超塑成形工艺研究较多却鲜见有相关铝锂合金切削表面完整方面的相关研究.研究在干切情况与液氮冷却情况下切削三要素以及上一道滚压工艺对于表面完整性的影响,通过正交试验的方法全面考察了工艺参数对于表面形貌各个指标、表层亚表层金相组织以及残余应力的影响权重,并且验证了其显著性.比较了干切与液氮低温切削情况下表面形貌以及残余应力状态的异同点,验证了液氮冷却切削对于铝锂合金表面完整性提升的有效性,为提高铝锂合金疲劳性能提供了实验依据.     

基于裂纹扩展的涡轮叶片热障涂层寿命预测模型

热障涂层在高温热循环的服役环境中会出现性能退化,最终剥离失效.本文以等离子喷涂的YSZ涂层为研究对象,基于亚临界裂纹扩展模型,引入临界能量释放率指数模型,结合改进的热生长氧化层增厚模型,推导了涂层循环失效预测模型.通过和公开的实验数据对比,验证了本文方法的准确性.之后将该模型应用于国内某型燃气轮机涡轮导叶热障涂层的寿命预测.结果表明,随着热生长氧化层的增厚,当达到临界厚度时在陶瓷层和黏结层界面会出现应力反转.陶瓷层和黏结层界面出现的拉伸应力会诱导附近微小裂纹扩展.此时热生长氧化层进一步增厚,将会加速裂纹的扩展速度,直至裂纹贯通,界面出现剥离失效.涂层寿命与服役温度呈指数递减规律,在一定范围内提高陶瓷层和黏结层界面粗糙度可以延长涂层服役寿命.本文模型对预测等离子喷涂的YSZ涂层寿命具有很好的应用价值.     

钝化膜应力导致不锈钢应力腐蚀的研究

用恒位移加载台, 在透射电子显微镜(TEM)中原位观察应力腐蚀前后裂尖前方位错组态的变化以及微裂纹的形核和扩展. 结果表明, 310不锈钢在沸腾的25% MgCl²水溶液中应力腐蚀时腐蚀过程本身能促进位错发射、增殖和运动. 当腐蚀促进的位错发射和运动达到临界状态时, 应力腐蚀裂纹形核和扩展. 测量表明, 321不锈钢在沸腾MgCl²中自然腐蚀时表面钝化膜会产生一个附加拉应力, 它可能是腐蚀促进位错发射和运动的原因.     

采用PDMS芯模微电铸成形镍微齿轮

以Φ3.60 mm×0.18 mm的微齿轮作为模板,先用软刻蚀技术制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性模具,通过将PDMS模具黏附在石墨基片上与在PDMS模具表面喷金制备成两种不同的芯模,再采用微电铸技术成形镍微齿轮.通过对在两种不同芯模上制备的镍微齿轮的结构完整性、铸层的生长方式和物相组成进行对比,分析芯模对微电铸成形的影响.结果表明:表面喷金的PDMS芯模可以精确复制微齿轮模板的微结构.相比于在喷金的PDMS芯模上微齿轮的逐层生长,在石墨基片上微齿轮是以外延的方式生长,在微齿轮中易产生裂纹等缺陷.两种芯模上制备的镍微齿轮晶粒尺寸基本相同,但相比于将PDMS模具黏附在石墨基片上制成的芯模,在喷金的PDMS芯模上成形的镍微齿轮(200)晶面择优取向增强,(111)晶面择优取向减弱,且残余应力更小.     

颗粒强化氧化铝基复合陶瓷断裂特性的预测

计算了颗粒强化的氧化铝／碳化硅和氧化铝/莫来石复合陶瓷的残余微应力．结果表明，这两种复合陶瓷基体中的微应力与颗粒含量成线性关系．分析了应力状态对裂纹扩展和晶界强化的影响．从微应力作用的角度计算了氧化铝／碳化硅和氧化铝／莫来石复合陶瓷基体晶界与晶粒韧性比，并进一步得到断口的穿晶断裂百分比，从而建立了这两种复合陶瓷微观结构及成分、基体微应力、穿晶断裂百分比三者的对应关系．这样根据颗粒强化复合陶瓷的微观结构、第二相含量及分布可以预测复合陶瓷的断裂特性．     

基于修正最大切向应力准则的含中心直裂纹混凝土圆盘断裂行为研究

采用一种含中心直裂纹的混凝土圆盘试件,对其进行准静态径向压缩测试,通过改变中心裂纹倾角和混凝土的配比,得到了不同情况下混凝土试件的裂纹初始扩展角和断裂阻力.基于Ayatollahi等人修正的最大切向应力准则(MMTS),通过联立理论公式求解得到不同配比、不同裂纹形式(II型和I-II混合型)混凝土试件的裂纹初始扩展角和断裂阻力的预测值,并将其与实验值进行了比较分析.其中MMTS准则是同时考虑了裂纹尖端应力场中奇异项和非奇异项(即Williams级数展开项中的T应力、A3和B3阶项,并忽略了更高阶项)的最大切向应力准则,使用超确定有限元法(FEOD)对Williams级数展开项的无量纲参数进行计算,并采用考虑了A3阶项的Schmidt模型计算断裂过程区的大小.研究结果表明,与传统MTS准则、GMTS准则相比,MMTS准则能够更好地预测混凝土试件裂纹初始扩展角和断裂阻力,特别是针对II型载荷占主导地位时的情况.     

激光冲击强化机理研究

研究表明,高功率密度激光作用于材料表面时,表层材料吸收激光能量产生等离子体,它喷射爆炸时形成强烈冲击波。当材料表面覆以约束介质和吸收涂层时可大大增强冲击波强度,从而有一个强大的冲击动量作用材料表面,当冲击强度超过材料的动态屈服强度时,就在材料上造成一个塑性变形层,塑性层中存在着表面残余应力和高密度位错,这些因素的综合作用延长了材料的抗疲劳寿命。     

应力水平对3D C/C复合材料的弯弯疲劳损伤模式的影响

测定了3D C/C复合材料的弯弯疲劳寿命曲线以及疲劳加载过程中的载荷-挠度回滞曲线, 通过试件实物照片和SEM疲劳断口分析, 研究了在不同应力水平下材料的损伤模式. 研究结果表明, 3D C/C复合材料的弯弯疲劳极限为203 MPa, 应力水平为静弯曲强度的92%, 远高于2D C/C复合材料. 随应力水平的提高, 材料的疲劳载荷-挠度回滞曲线由弹性滞后环向非弹性滞后环转化, 挠度显著增加. 揭示了纤维与基体界面的滑动磨损在疲劳失效中起重要的作用, 应力水平的高低控制着这种滑动磨损的程度和速度.     

超声疲劳振动体的有限元计算及动态模态分析

从超声疲劳载荷的主要特征出发，通过三维有限元计算及动态模态分析，研究了超声疲劳载荷下包括整体裂纹扩展试件及聚能器在内的振动体的应力、应变场和位移分布；分别讨论了超声疲劳载荷（Ｒ＝－１）和超声疲劳载荷叠加平均应力（Ｒ〉－１）两种情况下振动体固有振动模态的变化规律，为便于理解，简要综述了超声疲劳试验机的工作原理以及应用超声疲劳试验技术研究工程结构材料疲劳裂纹扩展性能的方法。     

各向异性体中J2的显函数表达式及其应用

给出了各向异性体中Ｊｋ矢量第２分量的显函数表达式并对它在主微裂纹干涉及微裂纹屏蔽机理中的作用做了详尽的研究。用理论分析和电算实践证明了远场Ｊ积分在微裂纹屏蔽离散模型中的再分配关系，即Ｊｋ矢量的投影守恒关系。在这个关系中，被Ｈｅｒｍａｎｎ所轻视的Ｊ２积分分一样起着重要的作用，证明了微裂纹损伤造成局部材料的刚度下降和残余应力释放这两种能量耗散过程，可用远场Ｊ积分在损伤区中的损失来描述。     

影响AlSi9Cu2Mg微动疲劳条件的磨损因素及其寿命预测

为了探究影响AlSi9Cu2Mg铝硅合金微动磨损的因素以及对磨损状态下该材料的微动寿命进行预测,本文建立了基于Archard弹性理论的网格自适应算法,并进行了摩擦疲劳有限元模拟,讨论了滑移幅度以及磨损分区因子对微动磨损的影响;使用SWT、F多轴疲劳损伤参数与临界距离理论(theory of critical distance)对磨损状态下的微动疲劳寿命进行预测.有限元仿真结果显示,滑移幅度以及磨损分区因子对微动磨损量均产生影响,接触表面在微动接触后缘总是出现压力的峰值,由于接触后缘的应力梯度较大,证明微动裂纹总是发生在接触后缘,与实验观察到的现象一致.通过两种多轴疲劳参数及临界距离理论得到的寿命预测分布显示,无论哪一个参数,考虑磨损时的预测寿命均优于不考虑磨损时的预测寿命,且多轴疲劳参数F在考虑磨损状态下的寿命预测值与实验更为吻合.最终的结果表明,基于Archard磨损定律的自适应网格算法的有限元分析与临界距离理论的损伤参数法相结合的分析流程,可以更为有效地预测AlSi9Cu2Mg的微动疲劳寿命.     

纤维束诱导基体裂纹变形场DGS实验研究

本文主要利用数字梯度敏感方法(DGS)和Eshelby等效夹杂理论研究纤维束与基体裂纹的相互作用机制.首先,利用DGS方法得到了碳纳米管改性纤维束模型、未改性纤维束模型基体裂纹尖端的位移场分布及演化规律,并提取了相应的基体裂纹尖端应力强度因子.其次,利用Eshelby等效夹杂理论分析了碳纳米管改性纤维束模型、未改性纤维束模型的基体裂纹尖端应力强度因子的影响机制.最后,比较了碳纳米管改性纤维束夹杂和未改性纤维束夹杂两种模型中基体裂纹尖端应力强度因子的理论预测结果与DGS实验结果,吻合较好.研究成果为纤维束与基体相互作用机制提供了可靠的实验依据及理论参考.     

玻壳压制成型中残余应力的数学建模与模拟方法

玻壳成型过程中产生的残余应力对制品质量的影响很大．在分析玻壳成型特点的基础上，建立了玻璃压制成型过程中残余应力计算的数学模型，其中材料假定为热流变简单黏弹性材料，忽略了成型中的流动应力，讨论了模型问题的平衡推论及相容性方程，并详细分析了成型中不同阶段的边界条件．模型的数值求解采用了薄层理论，并通过空间上的分层离散和时间上的有限差分来进行．所提出的模型及求解方法可以很容易地扩展到通常的玻璃压制成型过程，也可用于分析许多与玻璃压制成型相关的问题，具有较广泛的参考价值．     

含裂纹多材料反平面分析的解析奇异单元

含裂纹多材料反平面问题是一个典型的III型断裂问题,已有的文献给出了其极坐标辛体系下的辛本征解,并讨论了其裂纹尖端的应力奇异性阶次.本文在此基础上,首先补充给出界面有外力作用时其非齐次边界条件所对应的特解,然后利用辛本征解和特解构造出相关问题分析的一类解析奇异单元.将所提出的奇异单元与外部的常规单元相结合,就可用于多材料III型断裂问题的分析,并直接给出应力强度因子的数值结果.数值算例表明,本方法具有很好的求解精度,是相关问题分析的一个非常有效的数值方法.     

玻壳压制成型中残余应力的数学建模与模拟方法

玻壳成型过程中产生的残余应力对制品质量的影响很大。在分析玻壳成型特点的基础上，建立了玻璃压制成型过程中残余应力计算的数学模型。其中材料假定为热流变简单粘弹性材料，忽略了成型中的流动应力，讨论了模型问题的平衡推论及兼容性方程，并详细分析了成型中不同阶段的边界条件。模型的数值求解采用了薄层理论，并通过空间方向上的有限元和时间上的有限差分来进行。所提出的模型及求解方法可以很容易地扩展到通常的玻璃压制成型过程，也可用于分析许多与玻璃压制成型相关的问题，具有较广泛的参考价值。     

裂尖前方纳米尺度的微结构及原子象研究

用STM研究了石墨表面微裂纹前方纳米尺度的微结构的特征 .结果表明 ,STM的针尖和样品之间的互作用力能引起空位团的产生和迁移 ,从而导致裂纹扩展 .在加载条件下 ,用AFM研究了云母加载裂尖的微结构和原子排列 .发现云母表面加载裂尖前方存在一个约 1 0nm宽的高畸变区 ,它被一个约 1 1 0nm的异常弹性区所包围 .另外还观察到 ,在高畸变区中存在有许多小空位片 .     

基于铝合金板材应力反求与应力评测的飞机结构件加工变形控制新方法

在飞机结构件的高速切削过程中,随着7075铝合金厚板的材料去除,残余应力释放成为加工变形的关键因素.因此,研究加工变形随毛坯初始残余应力释放的演化规律,是进行加工质量控制的核心环节和基础,对于实现加工过程的高效化和精密化至关重要.首先依据弯曲变形理论,推导出工件随材料去除而产生的加工变形力学模型,通过厚向逐层施加单位应力,利用有限元方法计算变形因子,将力学模型分解为变形因子与残余应力之积的数学形式.其次,将加工要求作为加工变形的控制限,结合残余应力的自平衡特性建立残余应力规范模型,采用夹逼原则这一数学技巧,通过引入单位变量将应力规范模型转化为齐次线性不等式组,提出应力规范模型的枢轴变换反求技术.最后,通过任意变量转化为两个非负变量之差的数学技巧,提出了毛坯的实测应力值为应力规范的解的线性规划判断方法,实现了加工变形满足加工要求的预先评估.通过枢轴变换和线性规划方法将被动的加工变形分析转化为主动的残余应力评测,为切削上游工艺提供合理的出厂应力标准,实现毛坯制备与切削工艺的有机结合.