现役飞机结构腐蚀疲劳及寿命研究

文章分析研究了在环境腐蚀介质中飞机的疲劳损伤特性和基本破坏失效模式,阐述了现役军用飞机地面停放使用环境谱的编制以及在腐蚀环境条件下飞机腐蚀疲劳寿命的估算方法,并对未来几年我军飞机结构的腐蚀疲劳研究的发展提出了一些看法。     

腐蚀环境对TC21钛合金疲劳行为的影响

基于飞机零部件在服役过程中因腐蚀导致疲劳断裂的问题,采用疲劳试验机、扫描电子显微镜对TC21钛合金在两种腐蚀环境以及室温空气环境下的疲劳进行了研究。结果表明,相同环境下随着应力降低,合金晶体内部位错累计能量速率减缓,合金疲劳寿命增加。同等应力条件下,3.5%NaCl水溶液环境下合金疲劳寿命最低,油箱积水环境下次之,室温空气环境下合金疲劳寿命最高。当应力较低时,差异更为显著。腐蚀环境下试样疲劳寿命较低,主要原因在于合金与溶液中离子发生反应形成大量腐蚀产物,促进裂纹萌生、加速裂纹扩展。     

模拟舰载环境对2124铝合金耐蚀及疲劳性能的影响

 采用酸性盐雾试验模拟舰载环境，研究了舰载环境对典型航空铝合金2124铬酸阳极氧化、硼硫酸阳极氧化和苹果酸硫酸阳极氧化耐蚀和疲劳性能的影响，采用电化学阻抗谱（EIS）分析了膜层结构的变化规律，采用轴向疲劳检测不同腐蚀时间后的疲劳寿命，并对疲劳断口进行分析。结果显示，阳极氧化处理能够有效提高其耐蚀性能，铬酸阳极氧化试样经过4个循环酸性盐雾后出现腐蚀，硼硫酸阳极氧化和苹果酸硫酸阳极氧化从第6周期开始出现腐蚀；阳极氧化试样的疲劳寿命随酸性盐雾循环次数而衰减，衰减趋势与出现腐蚀的规律相吻合；苹果酸硫酸阳极氧化试样的疲劳寿命衰减最为缓慢。     

预腐蚀桥梁缆索高强钢丝疲劳试验

为了研究桥梁缆索高强钢丝腐蚀后的疲劳性能,采用酸性盐雾试验制作了6种不同腐蚀程度的钢丝试件共30根,并对这些试件进行了单轴拉伸疲劳试验.分析了腐蚀程度、应力水平对高强钢丝的影响,研究了预腐蚀桥梁缆索高强钢丝的疲劳性能退化规律.试验结果表明:腐蚀使得钢丝的疲劳寿命显著降低,腐蚀下的高强钢丝应力-疲劳寿命曲线仍呈双直线形式,在相同应力幅下,钢丝疲劳寿命对数值随质量损失率线性降低.通过试验数据建立了预腐蚀桥梁缆索高强钢丝的疲劳曲面方程,并给出了不同保证率以及失重率下的钢丝疲劳强度建议值.     

含预制缺口的电力导线腐蚀疲劳性能试验

为了研究腐蚀介质和疲劳荷载两者的耦合作用、腐蚀溶液浓度和pH值等因素对电力导线腐蚀疲劳寿命的影响,设计了一种新型的试验装置对某线路老旧导线进行腐蚀疲劳试验。通过在导线表面预制缺口,研究了不同腐蚀条件、不同腐蚀和疲劳作用方式对含缺陷导线力学性能的影响,得到了各加载工况下的S N曲线和拟合方程,并分析了腐蚀溶液浓度、pH值对导线寿命的影响权重。试验结果表明：腐蚀介质和疲劳荷载耦合作用下导线寿命比无腐蚀作用时显著降低;随着溶液酸性的增强,导线寿命显著缩短;由于高浓度的氯离子抑制了溶液中氧的溶解及扩散作用,使溶液对导线的腐蚀作用减弱,因此氯离子浓度的改变并非和疲劳寿命呈负相关关系。     

随机激励下高压管道的疲劳寿命分析

应用功率谱密度(Power Spectral Density)法对随机基础激励下高压管道进行疲劳寿命分析．给出了在随机激励作用下结构的随机响应计算方法，由随机过程和Miner线性累积损伤理论，推导了功率谱密度法估算结构寿命的公式．在此基础之上，以一飞机高压管道结构为例，编写程序求解出其疲劳寿命值．算例表明，在某些结构的应力响应无法实测或难以实测到的情况下，采用功率谱密度法分析其疲劳寿命显得简洁有效．     

基于损伤力学的疲劳全寿命数值预估方法

疲劳失效是影响结构件使用安全的主要问题,对疲劳寿命进行准确预测具有重要的工程意义。基于采用平均应力修正的损伤力学演化模型,结合有限元法建立了同时考虑裂纹萌生与扩展的疲劳全寿命数值预估方法。为了验证该方法,开展了不同应力水平下铝合金开孔板试样疲劳试验与疲劳数值模拟。结果表明,基于所建立的疲劳数值分析方法能够有效预测开孔板裂纹扩展过程及疲劳全寿命,预测寿命误差带在两倍以内。     

随机疲劳寿命的估算

概述了随机疲劳寿命估算的一般过程,就该过程中的局部真实应力应变分析的简化计算方法和随机载荷下的循环应力应变模拟及疲劳损伤进行了探讨。依据实验结果,提出了一个能量损伤模型,通过寿命估算,对提出的模型进行了验证,并将其估算结果与现有的几种典型疲劳损伤模型估算结果进行了比较。同时,还讨论了疲劳性能参数的波动对寿命估算精度的影响。     

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.     

飞机结构疲劳/耐久性安全寿命延寿方法

针对目前飞机结构延寿工作中存在的问题,提出了一种飞机结构疲劳/耐久性安全寿命的延长方法——当量延寿法。阐明了当量延寿法的基本原理:将同种型号的机队飞机结构的试验数据和服役使用数据都当量为同一载荷环境下的当量使用数据,对当量使用数据进行数据融合及可靠性综合分析,进一步释放可靠性潜力,从而重新评定并延长机群飞机结构的疲劳/耐久性安全寿命(亦即放宽疲劳安全寿命的使用限制)。并在此基础上阐述了当量延寿法的基本流程。根据当量延寿法的基本原理和流程可在原新机给定的使用寿命指标的基础上重新确定并逐步延长同种型号的机群飞机结构的疲劳/耐久性安全寿命,放宽服役机群飞机的服役使用寿命限制。当量延寿法可为现役同种型号飞机的延寿工作提供理论基础。     

柔顺机构疲劳可靠性及损伤识别研究进展

柔顺机构靠弹性变形来传递运动或力,因而疲劳是其主要失效模式,但其疲劳性能以及抗疲劳设计方法仍有待进一步研究.文中结合笔者及其课题组的研究成果,介绍了柔顺机构的主要设计方法,在综述名义应力法、局部应力应变法和应力场强法3种疲劳寿命预测方法的基础上,阐述了直圆型和叶型柔性铰链的疲劳寿命预测模型及尺寸参数对铰链疲劳寿命的影响,总结了柔顺机构疲劳可靠性的分析和优化设计方法,以及基于特征参数分解的柔顺机构损伤识别方法,并指出了柔顺机构疲劳可靠性及损伤识别的未来研究方向.     

腐蚀疲劳裂纹扩展的马尔可夫链模型及实验验证

在腐蚀环境下对LY12CZ铝合金试验件进行疲劳裂纹扩展实验,通过高倍显微镜观测并记录裂纹长度及相应的循环数。基于腐蚀条件下疲劳裂纹扩展数据的分散性及统计特性,提出用马尔可夫链模型模拟腐蚀疲劳裂纹的扩展,建立腐蚀疲劳裂纹扩展规律的概率模型,得到给定疲劳寿命时的裂纹超出数概率分布和给定裂纹长度时的疲劳寿命累积概率分布。将模拟结果与实验结果进行比较表明:马尔可夫链模型能够相当好地描述腐蚀疲劳裂纹扩展规律,为飞机结构的寿命预测提供参考。     

中碳钢三维高温低周疲劳寿命评价

通过试验与计算，用当量应变法、能量法和损伤法讨论了三维交变应力 作用下高温低周疲劳寿命的评价方法，并推出了相应的寿命评价公式。解析 值与实测值的对比结果令人满意，说明此三种寿命评价法可直接用于实际装 置在复杂应力状态下的高温低周疲劳寿命预测。     

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．     

基于多因素修正的结构件疲劳寿命预估方法

针对传统疲劳寿命预估算法精度低且适用性窄的问题,结合工程结构件的实际特点确定了对疲劳寿命估算精度造成影响的主要因素,将影响因素量化为具体的修正因子,并在此基础上提出了一种基于多因素修正的结构件疲劳寿命预估方法.然后应用修正后的算法对实例构件的疲劳寿命进行估算,并将估算结果与应用局部应力-应变法估算的结果及台架疲劳试验结果进行对比.结果表明,修正后的算法能够实现一般大型结构件疲劳寿命的准确估算,是一类预测精度高、实施方便且具有广泛工程应用前景的疲劳寿命估算方法.     

多孔腹板在谱载下的疲劳寿命分析

运用有限元方法对开多个孔的某型飞机翼大梁肋间腹板进行了应力分析，在考虑孔间影响的基础上确定了多孔腹板的应力集中系数。并根据该型飞机重心载荷谱确定了机翼载荷谱，对低载下的σmax-N曲线和εeq-Nf进行当量修正，然后用名应力法和局部应力应变法分别计算了其疲劳寿命，并对不同载荷级别下疲劳损伤进行了比较和分析。     

螺栓紧固铝板的微动疲劳寿命分析

以螺栓紧固铝板为研究对象,应用固体力学中的有限元分析理论对疲劳荷载作用下的螺栓紧固铝板进行分析计算,找出最大应力和最大位移所在位置,并在此基础上分别采用Miner疲劳损伤理论和有限元软件中的疲劳分析模块进行疲劳寿命分析及裂纹扩展寿命分析,且与已有实验进行对比,从而为螺栓紧固铝板的正确和安全使用提供了可靠的依据。     

振动焊接对焊缝力学性能影响

采用试件和结构件进行了大量的对比试验,分析研究了振动焊接对构件焊缝区残余应力、断裂韧性、疲劳寿命等力学性能的影响。结果表明,振动焊接可以降低焊缝表面的残余应力,改善焊缝区的微观组织,提高焊缝处的断裂韧性,提高试件和结构件焊缝的疲劳寿命。     

考虑应力梯度的多轴缺口件疲劳寿命预测方法

以缺口附近疲劳损伤影响区的场强为损伤参量,结合Manson-Coffin方程提出一种多轴比例加载下缺口件疲劳寿命预估方法.首先,借助坐标变换矩阵定义应变能密度最大的平面为临界面,克服了传统能量法作为标量难以描述裂纹萌生和扩展方向的不足.其次,利用有限元软件分析临界面上等效应力分布规律,拟合距离危险点5 mm内等效应力分布函数,通过求相对应力梯度函数的驻点确定疲劳损伤影响区的大小,以疲劳损伤影响区的场强作为疲劳损伤参量对Q345钢多轴缺口件进行寿命预估.最后,将利用该方法、局部应力应变法的预估寿命与试验寿命进行对比,结果表明:两种方法预估寿命的误差都在2倍因子以内,但由于该方法考虑了应力梯度效应,预估精度要优于局部应力应变法.     

基于样本信息聚集原理的小子样疲劳特性分析

为了对小样本疲劳试验做出指导以及寻求小样本下S-N曲线最优拟合方法，对经典样本信息聚集方法进行了改进。基于不同应力水平下试样疲劳寿命概率分位点的一致性，采用数据共享与融合方法，实现不同应力水平下样本数据信息聚集应用。根据应力■疲劳寿命的线性关系，利用改进后的样本信息聚集方法，对小样本数据中各个应力水平下的疲劳寿命均值进行参数化逐步搜索，得到不同应力水平下疲劳寿命最优值，然后根据最小二乘法拟合出S-N曲线。对不同应力水平作为基准进行了S-N曲线的疲劳特性对比分析，算例结果表明，以低应力水平为基准结合改进后的方法拟合出的曲线与传统成组法拟合结果最大相对误差不到5%,预测出的疲劳寿命误差范围最小。由此可见，改进后的方法提高了小样本疲劳特性分析的可靠性。