基于断裂力学的腐蚀钢丝疲劳S-N曲线研究

高强冷拔钢丝因其优异的力学性能被广泛应用于缆索承重结构,服役过程中钢丝腐蚀与断裂威胁着结构安全。钢丝腐蚀后表面的蚀坑因应力集中效应易产生疲劳裂纹,因此腐蚀钢丝剩余疲劳寿命主要取决于裂纹的扩展阶段,且裂纹扩展受到腐蚀程度(初始损伤)的显著影响。精确表征腐蚀程度并准确评估服役期钢丝腐蚀后的剩余寿命,仍是亟待解决的维修难题。首先采用蚀坑最大深度表征钢丝腐蚀程度,以应力强度因子幅作为裂纹扩展驱动力指标,基于断裂力学的Paris公式建立受拉钢丝裂纹扩展理论模型,进而推导腐蚀钢丝的疲劳S-N曲线。大量既有的腐蚀钢丝疲劳试验结果与理论预测值的比较验证了所提理论模型及疲劳S-N曲线的合理性和有效性。含多个蚀坑的钢丝裂纹扩展有限元模拟表明,等效单裂纹适用于多腐蚀坑钢丝疲劳寿命的简化分析。参数分析表明,蚀坑深度和腐蚀环境是腐蚀钢丝疲劳强度的关键影响因素,而应力比和疲劳加载频率影响较小,所提出的S-N曲线在钢丝常规服役条件下适用于评估其剩余寿命,可得到合理的预测结果。基于断裂力学所提的理论方法和疲劳S-N曲线可为腐蚀钢丝的疲劳强度和寿命评估提供参考。

基于S-N曲线的汽车波纹管位移循环载荷寿命研究

建立了汽车波纹管有限元模型,研究了位移循环载荷对汽车波纹管寿命的影响规律,探明了汽车波纹管不同结构参数与等效应力、应变和疲劳寿命之间的关系,并通过正交试验优化了波纹管结构参数。分析了疲劳失效后309S不锈钢汽车波纹管微观组织。结果表明:随着位移循环载荷增大,波纹管疲劳寿命降低,疲劳寿命有限元结果和试验结果误差小于8.8%。增大波高、波距、波宽及减小壁厚有利于提高波纹管疲劳寿命,通过正交试验优化,等效应力由670.5 MPa减小到582.3 MPa,疲劳寿命由80060次增加到241450次。在水涨成形阶段,由于冷变形产生了部分马氏体,位移循环载荷作用下波纹管断裂处硬度接近200 HV,波峰处有明显的裂纹,其内部存在疲劳特征。

基于等效结构应力法的高强钢焊接结构低温主S-N曲线

现有的疲劳S-N曲线已不再适用于北极的低温环境,为了评估北极海洋工程设备材料的低温疲劳寿命,有必要建立金属结构尤其是焊接结构的低温疲劳S-N曲线。本文基于等效结构应力法,计算出Q690高强钢管环焊缝的主S-N曲线,并通过共振疲劳试验对该方法进行了验证。在此基础上,结合大量的高强钢焊接结构试验结果,将温度敏感因子c引入到低温疲劳主S-N曲线的推导中,首次建立了基于低温金属焊接结构的主S-N曲线,并对文献中的疲劳S-N试验数据和ASME中的修正方法进行了对比和验证。结果表明,等效结构应力法能够较准确地计算出焊缝疲劳S-N曲线,推导出的金属焊接结构低温主S-N曲线与试验曲线吻合较好,能够满足低温地区工程要求,可为高强钢焊接结构在北极地区低温环境中的广泛应用提供理论指导。该方法可以为金属焊接结构的低温疲劳研究节省大量的成本,减少非标准试验操作造成的不必要的误差。这对北极海洋工程设备的设计、安全运行和疲劳评估具有重要意义。

基于S-N曲线的自动扶梯桁架疲劳寿命评估方法研究

老旧的自动扶梯经大修和改造后进入新一轮的寿命周期,可延长使用时间,具有较好的经济效益。如何评估在用自动扶梯的剩余工作寿命是一个重要课题。分析影响自动扶梯桁架力学性能和疲劳寿命的因素,结合实际案例,基于S-N曲线探索适合自动扶梯桁架疲劳寿命评估的有效方法,以期为自动扶梯的改造提供参考。

疲劳S-N曲线预测模型进展综述

疲劳S-N曲线是机械零部件强度设计的基础,但受限于贫样本或者小样本,使得诸多回归和预测模型都建立在各种假设之上。随着机械设备复杂程度的提高,零部件疲劳寿命多种影响因素间的耦合性和竞争性在不断增加;另一方面随着材料性能的发展,疲劳S-N曲线的结构也在改变,这些都使得已有模型无法满足强度设计需求。数据驱动方法能够对不同工况下的寿命数据能够进行深度挖掘,使得疲劳寿命数据的研究焕发新机。首先,对已有的确定性疲劳S-N曲线模型和小量/成组样本下的不确定疲劳S-N曲线模型进行了回顾,并对样本量大小引起的不确定性表达进行描述。其次,对由于材料性能改进导致的疲劳S-N曲线结构变化以及相应的改进模型进行了阐述。再次,介绍了疲劳S-N曲线模型的影响因素如平均应力、尺寸效应、应力集中、工作环境和表面完整性等,进而对数据驱动方法在多影响因素下的S-N曲线回归和预测进行了阐述。最后,对疲劳S-N曲线模型的发展趋势进行了讨论和展望。

基于动态剩余S-N曲线的线性疲劳寿命预测模型

为估算结构在变幅载荷下的疲劳寿命,在动态剩余S-N曲线的基础上,结合材料的退化规律,对材料受载过程中的累积疲劳损伤进行了量化,提出了一种预测变幅载荷下线性疲劳损伤预测模型。根据热轧16Mn钢和20Cr2Ni4A标准圆柱齿轮多级载荷下疲劳寿命试验数据,对提出模型的疲劳寿命预测能力进行了验证。结果表明:基于强度退化的线性疲劳寿命预测模型相对传统Miner法则和材料记忆退化累积模型的预测结果更接近试验结果,具有较高的预测精度。

基于主S-N曲线的装载机工作装置疲劳寿命评估

针对装载机在使用过程中焊接结构的疲劳开裂问题,文中在其设计阶段进行了疲劳寿命评估。首先,建立了工作装置中连杆网格尺寸为10,5,2.5 mm的有限元模型,对其进行静力学求解并提取其焊趾节点的结构应力,结果表明,在这3种网格尺寸下结构应力大小的相对误差不超过1%,验证了主S-N曲线法对网格尺寸不敏感的特性。此外,建立额定载质量9 t的装载机工作装置在台架试验姿态下含有焊缝细节特征的三维有限元模型,采用实测得到的疲劳试验加速加载谱进行加载计算,获得焊线L1~L8的结构应力,根据各焊线所受的载荷模式及所处位置的板厚等参数计算得到了工作装置焊线L1~L8的疲劳寿命,并与采用FE-SAFE软件计算得到的8条焊线疲劳寿命进行对比,二者分析结果均在焊线L2(动臂板与动臂油缸连接处焊缝)处首先发生疲劳破坏,疲劳寿命分别为12376.3和9597.6 h;通过与采用IIW和BS 7608标准计算的寿命进行对比,分析了结果差异的原因,评估结果对改进装载机工作装置结构与焊缝优化提供了依据。

基于坑蚀影响的高强钢丝S-N曲线研究

为研究坑蚀对高强钢丝疲劳曲线方程的影响,对5根无锈蚀高强钢丝和25根不同坑蚀尺寸的钢丝进行通电加速锈蚀,进行单轴拉伸疲劳试验,结合斜拉索坑蚀高强钢丝的轴拉疲劳试验,分析坑蚀对钢丝疲劳寿命的影响,建立考虑坑蚀系数和应力幅的统一疲劳曲线方程。研究结果表明,由于截面积减小和应力集中,高强钢丝的疲劳断裂均发生在坑蚀部位。坑蚀对钢丝疲劳寿命的影响主要表现为S-N曲线下移和衰减速率变化,与疲劳曲线参数C,m没有良好的相关性。基于应力幅和坑蚀的影响规律,建立指数函数修正的坑蚀高强钢丝统一S-Nc曲线方程。验算结果证明该模型在相对较低的疲劳寿命阶段具有较好的适应性,误差基本控制在±30%内。

水工混凝土S-N和P-S-N曲线特性研究

在已知混凝土静压强度分布的基础上使用S N曲线模型推导出一种疲劳寿命满足的分布 ,并对水工混凝土做了大量的等幅抗压疲劳试验 .通过分析发现 ,实验数据能较好地符合该分布 ,同时得出了该种混凝土的S N曲线和P S N曲线 .

ANSYS平台下主S-N曲线法的开发应用

主S-N曲线法是美国机械工程师协会提出的一种新的焊接结构疲劳寿命预测方法,区别于传统的名义应力法,基于断裂力学原理推导的结构应力更适用于疲劳寿命预测,文中以Tcl/tk脚本语言和APDL为开发工具,在ANSYS平台下创建汉化的主S-N曲线法疲劳计算模块,实现了该方法在ANSYS平台下应用推广,通过专业疲劳分析软件FE-Weld中T型焊接钢板的计算对比,证实了该应用具有很高的准确性和实用性。

基于Bootstrap法的轨道车辆镁合金主S-N曲线研究

在轨道车辆轻量化设计中采用镁合金可以达到显著减少车体质量、提高列车运行速度以及减轻运营能源消耗的优化目标。针对在小子样疲劳试验空间中,镁合金焊接结构各存活率下主S-N曲线获取较为困难的问题,首先提出结合Bootstrap自助法与等效结构应力法的疲劳评估方法。在此框架下,对不同板厚、材料、类型和应力比的镁合金焊接接头进行物理疲劳试验,并采用有限元仿真,进行试件接头焊趾处的等效结构应力数值模拟试验。其次,分别采用传统成组法和Bootstrap自助法拟合得出不同存活率下镁合金焊接结构疲劳寿命预测模型的统计参数。结果表明,Bootstrap自助法得到的镁合金疲劳试验样本拟合结果更趋于稳定,提高了镁合金疲劳寿命试验数据的拟合程度和样本数目较小时疲劳寿命预测的准确性。基于此方法得到并验证了镁合金焊接结构主S-N曲线的较精确回归模型。

典型构件疲劳性能S-N曲线的获取及应用

用名义应力法评估飞机结构使用寿命时,常用材料疲劳性能S-N曲线替代结构疲劳性能S-N曲线,这将导致疲劳分析偏离,依据以往疲劳试验寿命数据,拟合典型构件的S-N曲线,应用名义应力法进行寿命估算,并与试验结果进行比较,理论估算值与试验结果具有很好的一致性。

基于主S-N曲线法的焊接结构虚拟疲劳试验理论与应用

讨论了焊接结构虚拟疲劳试验技术的必要性与可行性.围绕美国机械工程师协会ASME(2007)标准中公开发表的用于焊接结构疲劳寿命评估的一个新方法:主S-N曲线法,进行了理论探讨,并认为它是基于焊接结构疲劳破坏机理的,因而比基于名义应力的方法更适合被选择为焊接结构虚拟疲劳试验的核心算法.介绍了两个典型的工程应用案例.结果表明,在设计阶段,基于主S-N曲线的焊接结构虚拟疲劳试验技术,可以有效地识别复杂焊接结构上每一条焊缝上的应力集中,这对设计修改具有很好的指导意义.

定量热像法预测焊接接头的S-N曲线和残余寿命

在恒定的平均应力作用下,考虑焊接接头的实际工况,利用红外热像技术建立了快速预测焊接接头疲劳参数和残余寿命的模型,实现了定量热像法对非均质焊接接头疲劳性能的评估。通过红外热像仪监测焊接接头表面局部热点的变化,定性分析了损伤演化状态。结果表明:定量热像法克服了传统疲劳实验方法的局限性,可快速、准确地确定非均质焊接接头的疲劳性能。同时,通过对疲劳损伤过程中热点区域的实时监测说明其是一种有效的检测方法。

结合S-N曲线和断裂力学的焊接结构疲劳寿命分析

针对焊接结构的疲劳裂纹演化过程,将焊接结构的疲劳寿命定义为裂纹萌生寿命Ni和裂纹扩展寿命N_p之和,提出一种结合S-N曲线和断裂力学理论的疲劳寿命分析方法.采用等效结构应力法和99%下限主S-N曲线计算焊接结构的裂纹萌生寿命,并将这一阶段结束时的裂纹看作为半椭圆表面裂纹.采用Paris裂纹扩展模型和半椭圆表面裂纹应力强度因子ΔK计算裂纹扩展寿命N_p.参照某起重机走行梁的疲劳试验结果进行对比和验证研究.结果表明,等效结构应力可以较好地表征复杂焊接结构的裂纹萌生特性,结合S-N曲线和断裂力学的疲劳寿命计算结果与试验结果具有较好的一致性.

模糊加权线性回归模型及其在S-N曲线回归分析中的应用研究

由于常规线性回归模型对个别异常数据敏感 ,所以回归方程欠稳定。建立了实测数据对回归直线的隶属度的计算公式 ,提出了以该隶属度为权重的模糊加权线性回归模型。该模型通过隶属度加权来削弱个别异常数据对回归直线的影响 ,从而达到提高回归方程稳定性的目的。

估计三种常用应力-寿命模型概率设计S-N曲线的统一方法

提出了适于三参数、 Langer和 Basquin三种常用应力-寿命模型称为广义极大似然法的估计概率设计 S- N曲线及其置信限的统一方法。方法将概率设计 S- N曲线表示为对数疲劳寿命均值和均方差曲线的广义形式。与现有常规和经典极大似然法方法不同，考虑所有试验数据的统计特征，应用最小二乘法先估计出均值曲线中的材料常数，然后利用极大似然原理和数学规划法估计出均方差曲线中的材料常数。有效性采用拟合相关系数、拟合误差均方值和置信限综合评价。对反应堆不锈钢管道焊接头虚拟应力幅-裂纹萌生寿命数据及 45＃碳钢成组法和极大似然法疲劳试验应力-寿命数据的分析说明了方法的有效性。一般来说，三参数模型的拟合效果最好， Langer模型次之， Basquin模型最差。本文方法的拟合效果好于现有方法，并尽量避免了现有方法受试验数据局部统计特征影响而可能给出偏于非安全估计的缺陷。

寿命服从对数正态分布、有置信度时概率疲劳S-N曲线的合理重构

当概率疲劳S-N曲线以特定存活概率(P)和置信度(C)的方式给出并无法重做试验时,除特定P-C外无法做其它概率水平的可靠性分析.因此,需要广泛适用的曲线模型.建立了疲劳寿命服从对数正态分布时疲劳试验S-N数据及广义曲线的Monte Carlo模拟重构方法.为了避免现有人为放大样本到数千给出偏危险评价,从实际试验情况出发,采用了材料小试样每组样本7至20、结构试样每组样本至多10个、还原统计参量误差小于5%的模拟策略.然后,依据模拟数据利用回归法重建了可实现任意P-C水平可靠性分析的P-C-S-N曲线.铁路60Si2Mn高强度弹簧钢概率曲线的重构实践说明了方法的有效性与适用性.

焊接结构超高周疲劳主S-N曲线拟合及寿命预测方法

超声波疲劳试验是获得焊接接头超高周疲劳强度的实用方法.目前还没有有效方法能够预测和评估任意焊接接头形式的超声超高周疲劳寿命.文中提出了一种超声简谐共振条件下,评估焊接接头疲劳寿命的瞬态结构应力法,以及超声超高周疲劳主S-N曲线拟合方法.基于已公开的300个焊接接头试验数据,拟合了铝合金焊接接头20 kHz超高周主S-N曲线.通过共振模型瞬态仿真分析,后雨流计数获得响应等效结构应力谱,与超高周疲劳主S-N曲线预测焊接结构疲劳寿命.结果表明,结构应力集中系数不会因焊接接头受到振动或外载大小变化而改变;拟合的超高周疲劳主S-N曲线是一条新的m=16.5的窄带,将主S-N曲线法理论的适用范围拓展到了超高周区域,可用于任意接头形式的焊接结构件超声振动超高周疲劳寿命预测.

基于疲劳强度衰减模型的S-N曲线测定方法

基于经验的疲劳强度衰减模型,提出了一种测定材料和结构的S-N曲线简易方法,同时可以确定材料和结构的临界载荷。该方法通过单点应力下的疲劳试验和静强度测定,可以获得原来至少需要两级应力试验才能得到的材料和结构的疲劳曲线。用不同材料的疲劳试验进行了S-N曲线测定和验证,结果表明,该方法能够准确而且快捷地测定S-N曲线和临界载荷,减少了疲劳试验费用和试验工作量。