缺口部件极端不规则裂纹前沿生长规律研究

真实的、极端不规则裂纹前沿生长路径预测直接影响结构剩余疲劳寿命评估的准确度。以与工程结构在几何上局部最为相似的缺口部件为裂纹受体,构建了一种不规则裂纹前沿应力强度因子(Stress Intensity Factor,SIF)分布规律研究方法。首先,利用高分辨率样条曲线表征不规则裂纹前沿上由于凸区、凹区以及小曲率半径引起的局部曲率变化;然后,基于自适应网格划分技术结合子模型法迭代模拟不规则裂纹前沿生长迹线,得到不规则裂纹扩展规律;最后,通过算例验证Franc3D计算裂纹扩展驱动力的可靠性,将预测得到的裂纹几何与试验测得的裂纹位置、尺寸等信息进行比较。结果表明,预测得到的裂纹前沿迹线与真实轨迹基本重合,沿任意路径SIF数值几乎相等,且裂纹扩展寿命预测值与试验寿命极其接近,误差只有2.4%。

基于改进AGREE方法的静叶调节机构可靠性分配

在对航空发动机的静叶调节机构进行可靠性分配时,采用传统AGREE方法得到其子系统的重要度和复杂度与子系统实际重要程度和复杂情况有偏差,并影响各子系统可靠度分配结果的合理性。针对这一问题,对传统AGREE方法中的重要度和复杂度进行了修正,提出了一种改进的AGREE方法。首先,考虑了不同子系统故障对系统的影响程度、修正重要度,考虑了子系统中会导致机构故障的关键零件的数目修正复杂度,对传统AGREE方法进行了改进;然后,提出了一种改进的AGREE分配法,并提出了进行可靠性指标分配的步骤;最后,采用改进的AGREE方法,对静叶调节机构可靠性指标进行了分配。研究结果表明:利用改进的AGREE方法可以完成对静叶调节机构的可靠性指标分配,其分配结果实现了为故障危害相对较小子系统分配更低的可靠度指标,为零件数量较多但关键零件较少子系统分配更高的可靠度指标的目标。与传统AGREE方法的分配结果相比,采用改进的AGREE方法所得到的分配结果更为合理。

基于最小二乘迭代威布尔分布的三参数估计

威布尔分布因其数学处理的便利性和适应性而被广泛用于描述产品寿命,引入了位置参数的三参数威布尔分布是研究机械零部件可靠性最适合的模型之一,尤其适用于长寿命、高可靠性的产品。三参数威布尔分布的参数估计一直是关注的焦点,本文中提出了一种基于最小二乘的迭代方法对其进行参数估计,将初始位置参数设置为0,使用最小二乘法得到初始形状参数和尺度参数,将其代入位置参数的无偏估计得到新的位置参数,进行多次迭代,在此过程中形状参数和尺度参数逐渐变小,位置参数逐渐变大,最终获得稳定的形状参数、尺度参数和位置参数,即为最终的参数估计值,并计算可靠度为99%的寿命。通过蒙特卡洛(Monte Carlo)仿真证明此方法是收敛的,并在不同的威布尔模型、不同中小样本量(样本量为10、15、20、25和30)下,使用偏差(Bias)和均方差根(RMSE)两个指标与相关系数法进行对比,此方法估计的3个参数及可靠度为99%的寿命更加准确。通过两个实例分析,表明该方法具有可行性和有效性,估计结果与相关系数法相比更加保守,更适于工程应用。

基于改进ARINC的复杂机械系统可靠性分配方法

在航空发动机静叶调节机构的设计初期,由于缺少完整的失效统计数据,其常常会出现可靠性分配结果不合理或难以分配的现象。针对这一问题,以故障模式、影响和危害性分析(FMECA)评价指标的非线性转换方法为基础,提出了一种基于改进ARINC的复杂机械系统可靠性分配方法。首先,对FMECA分析的失效率评价指标进行了非线性转换,近似地表示出了零件的工作失效率,并结合可靠性关键件的概念,提出了一种改进的ARINC分配方法;然后,提出了使用改进ARINC分配法进行复杂系统可靠性分配的步骤;最后,以静叶调节机构的叶片联动系统为应用实例,使用上述方法和步骤完成其子系统可靠性指标的分配任务;为了验证改进的ARINC方法的优越性,将其与传统ARINC方法进行了对比。研究结果表明:改进的ARINC方法能有效解决实际工程中数据不足,难以科学地分配可靠性的问题,增加了ARINC方法的适用性;与采用传统ARINC方法得到的分配结果相比,通过改进ARINC方法得到的联动半环、联动半环搭接段和叶片摇臂衬套的可靠度分别降低了0.14%、0.33%和0.94%,其分配结果显示了该方法可以给一些关键零件(工作失效率较高、难以保证较高可靠性)分配较低可靠度指标的任务,比传统ARINC方法的分配结果更为合理。

结构可靠度求解的自适应细分-重要抽样法

传统的结构可靠度求解方法在处理呈非正态、多变量、小失效概率以及功能函数非线性的问题时,很难以较低成本获得满意的精度。为克服现有方法的不足,将通用生成函数、自适应细分原理和重要抽样技术相结合,提出结构可靠度求解的自适应细分-重要抽样法。根据自适应细分原理,对临界域进行细分,减少离散区间长度,通过递归操作对随机变量进行非均匀自适应细分,得到失效域概率以及细分后的临界域,并由复合运算获得临界域的结构通用生成函数。临界域失效概率由针对域内热点焦元的重要抽样技术获得,失效域概率与临界域失效概率之和即为结构失效概率估计值。算例分析表明,新方法的计算误差明显小于传统方法,同时借助重要抽样技术提高了计算效率。

风电装备传动系统及零部件疲劳可靠性评估方法

载荷是导致失效直接原因,是影响产品可靠性的重要因素,风电装备在服役过程中经历的载荷-时间历程及其不确定性有明显的特点。由于服役方式的特殊性,一个风力发电厂中安装在不同位置的发电装备的服役载荷历程会有明显的差别。从风力发电机服役地域位置和时间两个方面描述风力发电机载荷历程的概率特性,并以此为基础,基于全概率计算原理研究风力发电机传动系统及其零部件疲劳可靠性分析与建模方法。内容包括复杂载荷历程不确定性表征方法、随机变幅载荷历程下疲劳累积损伤与等效循环应力计算方法、根据应力分布和条件寿命分布计算疲劳可靠度的方法,以及根据多级小样本疲劳寿命试验确定不同循环应力水平下疲劳寿命分布参数的方法。

系统共因失效分析及其概率预测的离散化建模方法

通过系统层的载荷-强度干涉分析,展示了零件可靠度(或失效概率)的属性、精细结构及其与载荷／强度分布特性之间的关系,分析了传统的零件可靠性干涉分析过程中发生的系统可靠性信息损失问题以及无法通过传统的零件可靠度参数构建一般系统(具有失效相关性的非独立失效系统)可靠性模型的原因。从数学原理方面探讨了载荷-强度作用机制和冗余系统存在“共因失效”这种失效相关性的原因和建立冗余系统共因失效概率模型的方法。最后,建立了能根据系统的有限失效数据预测系统任意阶失效概率的离散化的系统失效概率模型。

疲劳过程中材料强化和弱化现象的探讨

讨论了两种金属材料(正火45钢和热轧态16Mn)在疲劳过程中强化和弱化现象,通过疲劳试验及电镜分析表明,循环硬化材料在循环载荷作用下有明显的强化现象,而循环软化材料则不然。因而,在复杂载荷历程作用下循环硬化材料与循环软化材料将表现出不同的疲劳损伤累积规律。建议在分析疲劳累积損伤及寿命估算等方面应全面考虑强化和弱化所起的作用。

多部位损伤结构概率疲劳寿命预测方法与模型

结构疲劳失效是一种具有高度不确定性的现象,多部位损伤结构疲劳失效更是如此。含有多个薄弱环节(通常是可能发生损伤的高应力部位)的结构相当于多个只含有单一损伤部位的单元串联构成的系统。应用精确的系统可靠性建模方法,用各损伤部位疲劳寿命的次序统计量和极值统计量表示结构寿命分布,建立了多部位损伤结构的概率寿命预测模型。这样建立的模型自然地反映了不同损伤部位之间的失效相关性。试验结果及算例均显示,多部位损伤结构的疲劳寿命明显低于按其中一个损伤部位(即便是最薄弱部位)计算的寿命。

线性累积损伤的概率准则

疲劳是一个损伤逐渐累积、材料性能不断劣化的过程。因此,在疲劳失效判据中必须同时考虑损伤程度∑(n_i/N_i)和当前作用应力水平σ_(max)这两个参数。由此观点出发,本文认为疲劳破坏时累积损伤的临界值与当时作用的应力水平有关,要提高寿命估算的精度,在应用 Miner 法则时还应计及复杂载荷统计特性的影响。文中以强度线性退化假设为基础,借助应力—强度干涉理论构造了一个线性累积损伤的概率模型,给出了满足一定可靠度的损伤临界值公式。

样本信息聚集原理与P-S-N曲线拟合方法

基于不同应力水平下试样疲劳寿命对应的概率分位点的一致性,研究小样本疲劳试验数据信息提取原理与P-S-N曲线试验数据统计处理方法。通过聚集不同应力水平下的寿命试验数据、融合不同应力水平下的寿命分布信息,实现各级应力水平下寿命分散性信息的集成应用。借助失效迹线和等效寿命概念,以及等效寿命分布与真实寿命分布一致性判据,提出确定寿命标准差与循环应力水平之间关系的方法。在寿命中值(均值)-应力水平关系已知、寿命标准差-应力水平关系待定的情况下,基于等效寿命分布与真实寿命分布一致性的统计检验,应用摄动寻优技术确定疲劳寿命标准差-循环应力水平方程。这种方法相当于把不同应力水平下的疲劳寿命试验数据转换为任一指定应力下的等效寿命,从而得到等效大样本数据,拟合出较为精确的P-S-N曲线。试验表明,此方法能在较小样本量(20～30)的条件下,获得与传统成组法(40～60个样本)接近的P-S-N曲线,且容易应用。

程序载荷下疲劳可靠性分析的损伤等效递推方法

以载荷循环数－疲劳寿命干涉模型为基础，分析了程序载荷（包括随机载荷历程）作用下的疲劳可靠性问题的特点及计算方法。通过对疲劳失效过程的分析，针对复杂载荷下疲劳问题的物理本质，提出了一个以损伤等效原则转换不同载荷水平的当量循环数的可靠性递推方法。

疲劳损伤演化方程约束条件的探讨

本文着重讨论疲劳损伤演化方程应满足的条件,指出损伤演化方程不仅必须遵循热力学准则,还应满足一定的物理条件.如果忽略了这一点,可能导致严重的误差,并造成很大的分散性.

复杂载荷情况下平均应力修正方法

对于复杂载荷下的疲劳问题,应该把平均应力效应分为“静态效应”和“动态效应”两个方面。静态效应只影响最终断裂条件,而动态效应影响疲劳过程中的损伤演化规律和强度退化速率。因此,在计算累积损伤时,只需考虑平均应力的动态效应。根据传统的研究结果及对一些试验数据的分析,提出了一个用于复杂载荷损伤分析计算的“损伤当量应力”,以修正平均应力对疲劳损伤的影响。

随机恒幅循环载荷疲劳可靠度异量纲干涉模型

用于与时间无关的失效模式(例如静强度失效)的失效概率或可靠度计算的'应力—强度干涉模型'已很成熟,但要将干涉分析的概念与方法应用于与时间相关的失效模式(例如疲劳、磨损和腐蚀等)还存在许多困难,即使对于存在不确定性的恒幅循环载荷下的疲劳可靠性问题,目前也还没有像静强度应力—强度干涉模型那样简单、直接、有效的方法及数学模型。在概率统计平均的意义上重新解释传统的两个随机变量干涉分析的基本概念及模型,将干涉模型解释为载荷加权平均模型。具体地讲,就是将应力—强度干涉模型解释、拓展为强度超越(载荷)概率的(载荷)统计加权平均模型,或给定应力下的条件失效概率的随机载荷加权平均模型。这样,传统上只能应用于相同量纲随机变量(例如应力与强度)的干涉模型就可以拓展应用于具有不同量纲随机变量(例如应力与寿命)的情形,例如随机载荷下的疲劳失效概率(寿命小于指定值的概率)或可靠度(寿命大于指定值的概率)计算。应用这样的模型,可以很方便地根据几个确定性恒幅循环载荷下的疲劳寿命分布,预测随机恒幅循环载荷作用下的疲劳失效概率或可靠度。

共因失效概率预测的离散化模型

对系统共因失效分析中涉及的概念,诸如共因失效的“根本原因”（root cause）和“耦合机制”（coupling mechanism）等,从载荷的随机性导致零件失效相关性这一观点给予了解释。同时还提出和讨论了“固有相关性”、“偶然相关性”、“绝对共因失效”和“相对共因失效”等概念。借助多维应力-强度干涉分析和对干涉模型进行的离散化处理,建立了根据零件/系统失效数据预测系统共因失效概率简单、实用的离散化的模型。

应力—强度干涉模型在系统失效概率分析中的应用及相关问题

研究一般串联、并联及KN表决系统(不要求系统中各零件失效事件是相互独立的)的失效概率建模与失效概率预测。通过详细考察、深入分析应力—强度干涉理论、方法及其在零件失效概率和系统失效概率计算中的建模过程,介绍“系统级”的应力—强度干涉模型及其在系统失效概率分析中的应用,并给出应用实例及其与实验观测结果的比较。与传统的先计算零件失效概率,再在各零件失效相互独立的(不真实)假设条件下建立串联、并联、表决等系统失效概率模型的方法不同,文中提出应用“系统级”的应力—强度干涉分析直接建立系统失效概率模型的方法。为应用应力—强度干涉模型预测系统失效概率,首先详细分析传统的零件失效干涉分析过程中发生的系统可靠性信息损失问题。分析表明,零件失效概率的不确定性与载荷分散程度有关,在传统的应用应力—强度干涉模型计算零件失效概率过程中遗失的失效相关性信息对系统失效概率估算是十分重要的。在此基础上,指出无法通过传统的零件可靠度参数构建一般系统(具有失效相关性的非独立失效系统)可靠性模型的原因。最后,建立能根据系统低阶失效数据预测高阶失效概率的参数化模型。

相关系统失效概率的次序统计量模型及共因失效原因分析

作为可靠性或失效概率分析的基础 ,载荷—强度干涉分析可以在零件的层次上进行 ,可以在系统的层次上进行 ,也可以在次序统计量的意义上进行。文中以典型系统形式为背景 ,根据系统失效的统计学意义以及次序统计量的性质 ,应用次序统计量 ,建立具有普适性 (不需要作独立失效假设 )的串联、并联及表决系统的失效概率模型。从所建立的次序统计量模型及次序统计量的概率密度函数本身的形式可以推论 。

两级载荷作用下疲劳损伤状态的试验研究

以按高一低和低一高顺序作用的两级循环载荷下的疲劳损伤累积试验为基础，详细考察与分析了疲劳损伤的演化规律及状态特征，指出了目前常用的各种累积损伤模型的缺陷，提出了应对其应用范围进行严格限制的建议。

疲劳断口形貌与材料性能的关系

1.疲劳断口分析概述 当金属材料承受循环载荷时,随材料的初始状态以及应力-应变水平不同,将在整个体积内发生循环硬化或循环软化现象。开始时,这些变化是在受载金属中均匀发生的。当循环周次达到一定的数值时,某些变化将集中在局部区域进行。