物理短裂纹Manson-Coffin公式的理论研究及寿命

国际上广泛使用Manson．Coffin公式来预测疲劳寿命，但该公式不能确定疲劳寿命同裂纹尺寸之间的关系．本文提出采用与疲劳极限有关的最大非损伤裂纹尺寸代替晶粒尺寸，当裂纹达到最大非损伤裂纹尺寸时，减速扩展速率降低到零．在此基础上结合短疲劳裂纹扩展速率的变化规律，导出了物理短裂纹的萌生和扩展速率同应力、应变、裂纹尺寸以及常规力学性能之间的定量关系．从而做到直接用材料常规力学性能预测短裂纹的疲劳寿命．本文证明了短裂纹的寿命预测公式同Manson—Coffin公式有相同的形式，从理论上揭示了Manson．Coffin公式的本质是短裂纹的萌生和扩展规律．用本文公式预测的疲劳寿命与著名学者相关的试验结果进行了比较，两者完全吻合．并且本文公式中的系数和指数同试验数据的拟合公式也完全一致．特别是对接近10ILtm物理短裂纹疲劳寿命的预测同实验结果惊人的吻合．用本文的公式对15种材料的短裂纹扩展速率进行了预测，其结果和实验值的吻合程度也令人十分满意，显示了本理论的广泛适用性．     

激光冲击复合强化机理及在航空发动机部件上的应用研究

针对激光冲击强化在航空发动机高温部件、薄叶片和叶片榫槽/榫齿等复杂部件(位)应用的问题,系统开展了激光冲击表面纳米化方面的研究.本文在总结多种航空发动机金属材料激光冲击表面纳米化表征、原理、热稳定性研究的基础上,提出了基于表面纳米化和残余压应力的激光冲击复合强化机理,进而提高了激光冲击强化在高温部件上使用温度,并介绍了薄壁结构、榫槽/榫齿等特殊部件(位)激光冲击强化工程应用的情况.激光冲击表面纳米化及其复合强化机理的研究工作,拓宽了激光冲击强化的研究领域和应用范围.     

力学冲击试验中激波和类行波的作用

用NASTRAN和ANSYS软件包计算在冲击作用下试件所受的应力,其结果往往比实测值偏大许多倍.本文认为冲击在试件中诱发了激波或类行波,采用Lax-Friendrichs(L-F)格式数值模拟了激波和类行波在固体中的传播,计算结果表明应力波的作用区间很小,而且作用时间很短,表观很大的冲击力及其所做的功实际并不大.计算所得的冲击值分布与冲击试验的实测值趋势符合,定性解释了出现上述情况的物理原因.     

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.     

超声疲劳载荷下应力强度因子的确定

根据线弹性断裂力学基本理论，分别讨论了由位移法和能量法确定裂纹尖端应力强度因子的具体步骤；计算分析了试件在承受超声疲劳载荷（Ｒ＝－１）和超声疲劳载荷叠加平均应力（Ｒ〉－１）两种情况下的应力强度因子随裂纹长度变化的关系。分析结果表明，应用能量法研究确定超声疲劳载荷下的裂纹尖端应力强度因子，具有简明和计算精度高等突出优点，并能正确描述疲劳裂纹扩展对固有振动模态影响的规律，还实验研究了钛合金的疲劳裂纹扩     

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。     

节理形貌对应力波传播影响的试验研究

为了研究不同节理形貌对应力波传播的影响规律,依据巴顿标准剖面线,制作3组共30个含不同节理粗糙度系数(JRC)的人工节理试样,然后基于SHPB动载试验系统对其进行不同冲击载荷的试验,比较分析不同冲击载荷下的波形图以及应力波在不同节理形貌作用下的透射率,找出JRC值和应力波透射率之间的规律。结果表明:在同一冲击气压下,随着JRC值的增加,透射应力波的波形峰值呈现逐渐下降的趋势,即试样节理面越粗糙,入射应力波穿过节理面进入输出杆的透射波信号越弱,透射能量越小;同一组具有相同JRC值的试样在不同冲击气压作用下,透射率的变化趋势大致相同,即同一组JRC值下,随着入射应力波能量的增加,节理透射率也随之增加,并呈现出很强的规律性。     

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。     

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.     

疲劳荷载下氯离子在矿渣砂浆中的传输行为研究

为了研究疲劳载荷耦合作用下氯离子在矿渣砂浆中的传输行为,通过自行设计的实验方法实现了疲劳荷载和氯离子扩散过程的同步耦合.实验中对试件施加的应力水平S分别为0.3,0.4和0.5;矿渣的掺量分别为胶凝材料的0%,10%,30%和50%;在加载过程中,采用声发射技术对试件的疲劳损伤进行三维定位的同步监测,进一步对疲劳荷载下氯离子扩散规律从三维动态的角度进行佐证.结果表明,疲劳荷载确实加速了氯离子在水泥基材料中的传输,且随着载荷的提高,其扩散程度进一步加剧;而矿渣的掺入能有效改善水泥基材料抗氯离子的侵蚀性能,其最佳掺量为胶凝材料的30%,但随着矿渣含量的提高,其对氯离子扩散的抑制效果有所减弱;与交替实验对比表明,加载过程的动态效应对氯离子在矿渣砂浆中的传输有显著影响.     

采煤机截割部行星架的可靠性分析及优化设计

本文首先应用三维实体建模软件Pro／E、通用有限元分析软件ANSYS和机械系统动力学仿真分析软件ADAMS建立了采煤机截割部虚拟样机模型,对其进行了动力学仿真分析,得到了行星架所受的外载荷并编辑生成载荷文件;然后将载荷文件导入ANSYS中,施加载荷和边界条件后,进行有限元分析,得到了行星架应力分布及变形情况;最后应用疲劳分析软件Nsoft对行星架进行疲劳寿命分析,得到了行星架的寿命情况。根据分析结果,应用ANSYS的优化设计模块对其进行优化设计,为采煤机截割部行星传动系统的可靠性设计提供了重要的依据。     

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.     

大型直线振动筛横梁结构动力学分析

针对某大型直线振动筛频繁出现横梁断裂问题,应用ANSYS软件,对横梁结构进行了模态分析和谐响应分析,指出结构设计中存在问题。提出横梁结构改进方案,对改进后结构动力学性能进行分析,并与原设计横梁结构的动力学性能进行比较。结果表明：横梁断裂属于低应力断裂;横梁结构静力分析与动力分析的应力值差异较大,采用静力准则的结构设计不能保证结构可靠性;改进后的横梁结构应力状态得到改善,疲劳寿命提高。     

应力波作用下岩石类孔隙介质变形破坏与能量耗散机制的数值模拟研究

通过CT扫描、X射线衍射和物理实验等方法获取了天然砂岩的孔隙结构参数、矿物组成和物理力学性质,研制了具有与天然砂岩相同的孔隙结构特征和基体性质、但孔隙率不同的岩石类孔隙介质的物理模型．利用孔隙介质物理模型的CT扫描图像和MIMICS构建了具有不同孔隙率的孔隙结构三维有限元模型．通过设定应力波动理论假设的条件模拟了孔隙介质SHPB冲击破坏过程,分析了波动应力作用下岩石类孔隙介质的动力学响应、应力传递模式和变形破坏机制．研究表明：利用孔隙介质三维有限元模型可以直观定量地分析应力波传播过程中岩石类介质内部孔隙和基体的应力、应变状态及变形破坏机制．一定压强和波速的应力波传播过程中,孔隙率低于15％的岩石介质内部的孔隙未发生明显变形,变形主要体现为孔隙周边基体的微塑性（剪切变形）和开裂（横向拉应变）,以及孔隙周边开裂区域的相互连通．剪应力使基体单元产生微塑性,拉应力使基体单元开裂．孔隙周边基体单元的破坏及相互贯通主要是由于基体单元的横向拉应力或拉应变超过材料的极限值．模拟得到的孔隙介质的应力波传播规律、变形与破坏模式以及能量耗散性质与物理模型的实验结果相吻合．本文研究为解析岩石类孔隙介质的复杂多变动力学响应的内在机制、应力传递模式、变形破坏与致灾机理提供了参考．     

孔隙介质中应力波传播机制的实验研究

采用活性粉末混凝土和聚苯乙烯材料研制了具有与天然砂岩相似孔隙分布特征和物理力学性质的孔隙体模型,通过不同孔隙率模型的SHPB冲击实验和CT扫描实验观察和分析了孔隙体中应力波的传播特性以及传播过程中内部孔隙和固体介质的变化．研究表明：1）孔隙率显著影响应力波的传播特征．相同应变率时,孔隙率越大,反射波幅越大、波峰越多、透射波幅越小;孔隙率降至5％时反射波接近于单峰;应变率越高上述现象越明显;2）孔隙体的能量耗散率WJ／W1随孔隙率增加而线性增加,WJ／W1对应变率较敏感;3）应力波传播性质和能量耗散行为的差异与孔隙的演化机制有关．孔隙率低于10％时内部机制表现为固体介质破裂或形成新孔隙,应力波能量主要被消耗形成新开裂面或新孔隙,原有孔隙变形不大．此过程中应变率对改变孔隙形状的作用不明显;孔隙率高于15％时孔隙演化机制与应变率有关,低应变率时仍以固体介质开裂或形成新孔隙为主,但新增开裂面或新孔隙的数量相对较少;高应变率时内部结构变化同时存在固体介质开裂和孔隙变形两种机制,其中孔隙变形占较大比例,应力波能量大部分被消耗于孔隙变形,表明只有在高孔隙率和高应变率条件下内部孔隙才会发生明显的变形．孔隙离心率e可以较好地刻画应力波作用下孔隙的变形．     

激光层裂法定量测定薄膜界面结合强度

提出定量测定薄膜界面结合强度的激光层裂技术. 分析了激光诱发薄膜层裂的物理过程，在基于薄膜内部应力波多重反射、透射基础上，建立薄膜层裂数学模型，推导出薄膜层裂条件下的界面结合强度和相应层裂应变率的计算公式. 对Cr不锈钢/TiN, Al/EPOXY, 纯Fe/EPOXY三个体系的界面结合强度进行了测定.提出直观判别薄膜层裂的波形分析法，直接确定层裂时刻、层裂深度、层裂强度.实现了单次激光冲击，一次确定薄膜界面拉伸强度.     

疲劳损伤概率分布及疲劳寿命统计矩

将确定性疲劳损伤方程随机化，得到受随机涨落影响的疲劳损伤随机微分方程和Ｆｏｋｋｅｒ－Ｐｌａｎｃｋ方程，通过求解方程，得到随时间变化的疲劳损伤概率分布。然后导出了平稳随机涨落影响下的疲劳寿命的统计矩。最后，分别给出了疲劳裂纹形成与扩展的损伤概率分布。     

坚硬顶板深孔爆破卸压技术及其模拟优化

工作面回采过高冲击危险区时,采用深孔爆破技术,提前释放坚硬顸板内储存的弹性能,可以降低冲击危险,能有效地避免冲击地压灾害发生。以济三煤矿6303工作面实际地质情况为研究背景,从岩石爆破机理出发,计算出合理的钻孔间距;利用Ansys有限元非线性动力学软件,对不同爆破孔间距深孔预爆破方案和爆破效果进行爆破效果模拟,分析了爆破应力波传播规律和裂纹扩展情况,找出最优爆破参数。     

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.