随机结构系统综合考虑静强度、刚度和疲劳的多失效模式的可靠性分析

在结构系统使用过程中, 将可能出现多种失效形式, 例如静载失效、疲劳失效和刚度等失效形式. 根据疲劳载荷造成的随机裂纹对结构极限应力和截面模量的影响, 给出了结构构件在裂纹扩展下的构件剩余抗力的表达形式, 分析了结构系统中每一个单元在静载和疲劳载荷作用下的失效形式, 并考虑了各失效模式之间的相关性对该单元可靠性的影响. 具体分析了结构系统在静载和疲劳载荷作用下的失效机理以及各失效模式之间的相关性, 给出了在静载和疲劳载荷作用下结构系统的可靠性分析方法. 结合数值算例对结构系统进行了综合考虑静强度、刚度和疲劳的可靠性分析, 表明在不同的使用年限内, 结构系统失效概率是不同的, 静载和疲劳载荷对结构系统可靠性的影响也是不同的; 该方法比只考虑单一因素(或静强度、或疲劳、或刚度等)下的结构系统可靠性分析更符合结构系统使用的真实情况.     

基于裂纹扩展理论的结构强度退化模型

为了描述机械结构强度退化在整个寿命周期中的变化规律,本模型引用裂纹扩展理论,计算出不同载荷作用次数下临界裂纹值和结构裂纹扩展速率,根据临界裂纹值和结构剩余强度之间的关系模型,从而得到剩余强度随载荷作用次数的变化数据,由此建立基于裂纹扩展理论的结构强度退化模型.实例分析表明:利用裂纹扩展理论反求结构强度退化模型可以从材料微观方面分析零件结构强度退化量的动态变化规律,进而为零件结构的可靠性分析提供理论依据.     

无干涉铆接搭接结构的多裂纹扩展预测方法

建立了含有广布损伤(MSD)裂纹的无干涉铆接搭接结构三维有限元模型,求解裂纹尖端左右两侧的应力强度因子,并提出了等效应力强度因子的概念。以Paris公式为基础,结合改进的载荷循环叠加方法、塑性区连通准则,并考虑MSD裂纹扩展中的相关性,建立了等幅谱下MSD裂纹扩展预测模型。计算结果与试验结果表明,使用该方法预测的3种开裂模式下的寿命值误差均在7%以内;对搭接结构进行分析不能简化为二维模型;MSD裂纹扩展寿命与结构开裂模式有关,结构中共存的裂纹越多其裂纹扩展寿命越短。     

应力幅比对2A12-T4铝合金多轴疲劳裂纹萌生及扩展行为的影响

许多工程结构在服役过程中往往承受着复杂的多轴疲劳载荷,仅靠单轴载荷来简化复杂载荷状态的失效预测方法将不再适用。因此,准确预测复杂载荷下工程结构的多轴疲劳失效行为对提高结构安全性具有重要意义。疲劳裂纹萌生及扩展是疲劳失效行为最直观的反应,针对2A12-T4铝合金实心圆棒试件,在相同的等效von Mises应力幅值下,开展了不同应力幅比下的多轴疲劳试验。采用金相显微镜对试件表面裂纹萌生及扩展行为进行了观测,研究了不同应力幅比下试件表面裂纹形态及扩展路径,探讨了不同应力幅比下2A12-T4铝合金多轴疲劳失效行为。结果表明,对于2A12-T4铝合金,试件表面均存在多条裂纹,导致疲劳破坏的主裂纹只有1条;裂纹萌生方向接近于最大切应力幅值平面,裂纹扩展第Ⅰ阶段的长度与方向同时受到应力幅比的影响;主裂纹扩展路径主要沿着最大切应力幅值平面,最大切应力幅值是引起2A12-T4铝合金多轴疲劳失效的主要控制参量。     

横向载荷与预紧力对螺栓断裂寿命的影响

螺栓连接依靠自身简单可靠的特点被广泛应用于各个行业,然而螺栓的疲劳断裂却是一个非常突出的问题.因此,为准确预测螺栓断裂失效寿命,进行了螺栓材料的疲劳裂纹扩展实验,求得了螺栓材料的断裂参数,从而建立了Paris裂纹扩展模型.然后运用有限元方法与疲劳裂纹扩展实验进行对标,并取得较好的效果,为螺栓断裂失效寿命的计算奠定了基础.最后,考虑到螺栓预紧力与横向载荷对螺栓断裂的影响,建立了带裂纹的螺栓有限元模型,并采用有限元方法进行螺栓失效寿命计算的定量分析.结果表明：横向载荷与螺栓预紧力对应力强度因子和螺栓使用寿命具有较大的影响.     

考虑载荷作用次数的齿轮可靠度计算模型

研究了随机载荷作用次数对齿轮可靠性的影响.通过引入条件可靠度,在不作失效独立假设的前提下,运用应力-强度干涉模型建立了具有多种失效模式的齿轮可靠度计算模型.根据随机载荷作用的统计学意义,运用顺序统计量理论建立了随机载荷多次作用时的齿轮可靠性模型,并研究了齿轮可靠度随载荷作用次数的变化规律.研究表明,即使在强度不退化的情况下,齿轮的可靠度也随着随机载荷作用次数的增加在逐渐降低.     

飞机机轮轮毂结构疲劳可靠性分析

提出了结构疲劳可靠性计算模型。该模型以结构初始疲劳质量的描述为基础,考虑裂纹扩展的随机性,建立了以裂纹长度为判据的结构失效功能函数,并用ＪＣ法和一次二阶矩法计算飞机机轮毂在不同循环次数下的裂纹超过数概率。同时分析了疲劳裂纹扩展的分散性对结构疲劳可靠度的影响,最后,用实物疲劳试验结果对上述方法给出的预测结果进行了验证,验证结果证明该方法是合理的。     

飞机机轮轮毂结构疲劳可靠性分析

提出了结构疲劳可靠性计算模型．该模型以结构初始疲劳质量的描述为基础,考虑裂纹扩展的随机性,建立了以裂纹长度为判据的结构失效功能函数,并用ＪＣ法和一次二阶矩法计算飞机机轮轮毂在不同循环次数下的裂纹超过数概率．同时分析了疲劳裂纹扩展的分散性对结构疲劳可靠度的影响．最后,用实物疲劳试验结果对上述方法给出的预测结果进行了验证,验证结果证明该方法是合理的．     

钢筋混凝土界面疲劳裂纹扩展模拟研究

界面脱粘是钢筋混凝土材料与结构的主要失效形式之一.基于剪切筒模型和常用疲劳加载方式,首先建立了循环荷载作用下钢筋与混凝土界面脱粘应力的计算模型;然后根据断裂脱粘准则,借助描述疲劳裂纹扩展的Paris公式,得到了脱粘界面疲劳裂纹扩展速率、扩展长度以及脱粘界面上摩擦系数与循环加载次数的关系;最后对处于循环荷载作用下的钢筋与混凝土界面进行裂纹扩展的模拟计算与分析.结果表明,摩擦系数的衰减程度是影响界面脱粘应力大小及裂纹扩展快慢的主要因素,而且材料的尺寸效应对界面疲劳特性的影响也不容忽视.     

多处损伤含孔结构随机裂纹扩展寿命预测

首先基于LY12CZ铝合金平板的中心裂纹扩展速率试验,考虑裂纹扩展速率的随机性,采用三参数对数正态分布表征Paris公式参数的分布特性,建立了LY12CZ随机裂纹扩展分析方法。利用Monte-Carlo法模拟裂纹扩展的随机性,进一步建立了多处损伤(multiple site damage, MSD)含孔结构随机裂纹扩展寿命预测模型,并将模型程序化。通过算例验证分析,该模型能够较准确预测多处损伤含孔结构裂纹扩展寿命,得到结构的失效概率,为含孔结构的MSD评估提供有效的工程分析方法。     

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.     

基于有限单元法的裂纹梁结构疲劳寿命预测模型

为了准确预测裂纹梁结构的疲劳寿命,提出一种裂纹梁结构的振动与疲劳裂纹扩展耦合分析方法。首先,基于有限单元法建立裂纹梁结构的动力学模型;然后,根据裂纹梁单元的特点,推导裂纹梁单元的应力强度因子表达式,在此基础上应用Walker方程建立疲劳裂纹扩展增量计算式,再基于振动响应与裂纹扩展循环同步分析法,计算疲劳裂纹扩展寿命;基于该疲劳寿命预测模型,分析激振频率、激振力幅值和应力比对裂纹梁疲劳寿命的影响;最后,对裂纹梁进行疲劳试验,将试验测量结果与模型计算结果进行比较,验证所提出模型的准确性。研究结果表明:提出的疲劳寿命预测模型较好地表征了疲劳裂纹扩展寿命与其结构参数之间的内在关系,反映了振动对裂纹梁结构疲劳寿命的影响;随着激振频率接近固有频率,裂纹扩展速率增大,裂纹梁的疲劳寿命明显降低;随着激振力幅值增大,裂纹梁的应力强度因子幅增大,疲劳裂纹扩展寿命降低;随着应力比增加,裂纹梁的疲劳寿命显著提高。     

基于谱分析和裂纹扩展方法的舱口角隅疲劳寿命预报方法

以某超大型集装箱船驾驶室前椭圆形角隅为例,采用谱分析结合裂纹扩展方法预报角隅疲劳寿命.首先通过水动力和结构响应分析得到全船响应,获得角隅在不同工况下的应力分布,并依此选定可能的起裂位置.然后将全船分析结果作为ANSYS中建立的带裂纹角隅模型二次分析的边界条件,求解应力强度因子并采用最大周向应力准则(MCSC)得到角隅在不同工况下的裂纹扩展路径,在大量计算的基础上回归出相应的角隅裂纹应力强度因子经验公式.最后依据ABS船级社推荐的谱分析法构建疲劳载荷谱,采用单一曲线模型和所获得角隅裂纹应力强度因子经验公式预报角隅疲劳寿命,为角隅疲劳寿命的校核提供参考.     

海洋结构裂纹检测与维修优化

首先讨论了海洋结构含裂纹构件的失效准则及修复构件疲劳性能的评价模型。应用概率断裂力学方法提出了一个描述海洋结构检测与维修过程的可靠性模型,该模型同时考虑了疲劳和断裂两种失效形式,并可以评价检测,维修过程对平台可靠性的影响。基于该模型,开发了一个描述裂纹萌生与扩展过程的可靠性数值仿真器,用于对服役平台的检测和维修进行优化。用该数值仿真器对一个实例进行计算的结果表明,对裂纹进行检测优化时,不计断裂失效是不合理的。     

海洋结构裂纹检测与维修优化

首先讨论了海洋结构含裂纹构件的失效准则及修复构件疲劳性能的评价模型。应用概率断裂力学方法提出了一个描述海洋结构检测与维修过程的可靠性模型 ,该模型同时考虑了疲劳和断裂两种失效形式 ,并可以评价检测、维修过程对平台可靠性的影响。基于该模型 ,开发了一个描述裂纹萌生与扩展过程的可靠性数值仿真器 ,用于对服役平台的检测和维修进行优化。用该数值仿真器对一个实例进行计算的结果表明 ,对裂纹进行检测优化时 ,不计断裂失效是不合理的。     

机械零件动态可靠性模型及失效率研究

分析了传统可靠性模型的特点,指出传统的可靠性模型并不能很好地反映零件可靠度和失效率随载荷作用次数或时间变化的规律.采用泊松随机过程描述随机载荷的作用过程,综合运用应力-强度干涉模型、泊松随机过程以及概率微分方程建立了强度随时间退化时的零件动态可靠性模型.以强度退化服从指数规律为例,研究了零件可靠度和失效率随时间的变化规律.研究表明,零件的可靠度随时间逐渐降低;失效率曲线具有"浴盆"曲线的全部特征.     

高速列车制动盘表面裂纹的扩展特性

分析了制动盘在运行过程中的载荷特征,采用有限元法模拟制动盘在不同制动工况下的热应力分布,发现反复制动形成的拉压应力循环是裂纹扩展的主要驱动力.依据制动盘裂纹剖面的形状特征,采用三维裂纹扩展软件FRANC3D建立了裂纹扩展模型,研究了盘面裂纹的应力强度因子随裂纹长度的变化规律.结合疲劳裂纹扩展理论和裂纹扩展门槛值,估算了临界裂纹尺寸和扩展寿命,以及不同裂纹尺寸扩展到临界长度时的运营里程.研究结果可为制动盘裂纹容限的制定提供参考.     

基于全寿命裂纹扩展模型的钛合金球壳疲劳可靠性分析

针对钛合金材料短裂纹扩展寿命较长的特点,基于Brown-Hobson模型的疲劳全寿命计算模型,给出了钛合金球壳疲劳寿命估算的解决方案.根据不含交叉项的二次响应面法对全寿命模型进行可靠性分析,得出不同参数对其可靠度指标的影响,并将此方法应用于我国正在研制中的4.5 km级载人深潜器的疲劳分析中.根据载荷-循环次数历程对其进行确定性裂纹扩展分析,在此基础上分析了不同参数对结构可靠性的影响.     

描述微裂纹成核与扩展的疲劳损伤多尺度模型及其应用

利用多尺度模拟的方法建立了针对疲劳损伤累积过程中微裂纹成核与扩展阶段的疲劳损伤多尺度模型,对模型的有效性进行了实验验证,并将其应用于变幅疲劳载荷下某装甲车传动轴的疲劳寿命评估中.研究结果表明,所提模型能同时预测宏观尺度疲劳损伤与细观尺度微裂纹的成核与扩展率,利用该模型所预测的宏观疲劳损伤值与实验所测值相符.该模型既能合理地描述宏观尺度下不同应力水平的疲劳损伤演化过程,又能综合反映细观尺度下微裂纹的成核与扩展行为.利用这种多尺度疲劳损伤模型可以预测结构在疲劳微裂纹成核与扩展阶段所消耗的疲劳寿命,为各类结构疲劳损伤累积过程评估和准确进行寿命预测提供了一种新途径.     

铸造奥氏体不锈钢的疲劳裂纹扩展

用紧凑拉伸试样研究了载荷比、单峰过载和两步高-低幅加载对Z3CN20-09M铸造奥氏体不锈钢疲劳裂纹扩展速率的影响。当应力强度因子范围相同时,疲劳裂纹扩展速率随载荷比的增大而增大。单峰过载使裂纹扩展速率先有短暂的增加后长距离的减速扩展,出现裂纹扩展迟滞现象。两步高-低幅加载时,若两步的最大载荷不同,第二步裂纹扩展也会出现迟滞现象。用两参数模型和Wheeler模型能够预测恒幅载荷和变幅载荷下的疲劳裂纹扩展行为。