成组法疲劳试件个数选取方法研究

目的 在成组法疲劳试验过程中,确定最少疲劳试件个数判据,获取有效可靠的疲劳试验结果。方法基于疲劳可靠性的基本原理,在疲劳寿命对数正态分布的假设下,根据t分布理论,结合船舶及海洋工程一般构件具有95%置信度和可靠度p=97.72%下的P-S-N曲线的基本要求,推算出相应置信度和可靠度下5%误差限度内的疲劳试件个数与允许的最大变异系数数值的对应关系,以此作为成组法疲劳试验最少试件个数的判据,开展典型节点的疲劳试验。结果 得到了具有95%置信度的百位估计值Np,并通过线性相关系数r,判断对数疲劳应力Y=lg S与X=lg Np之间线性相关的程度,采用最小二乘法对对数疲劳寿命lg Np和对数疲劳应力lg S进行线性拟合,得到了具有95%置信度的P-S-N曲线,与IIW规范中相应的曲线一致。结论 文中给出的成组法疲劳试验个数确定方法是合理、可靠的,为船舶与海洋工程结构物典型焊接接头成组法疲劳试验个数的确定提供了依据。

金属疲劳损伤全寿命过程及工程应用综述

金属疲劳损伤过程复杂,不同载荷类型与服役环境下金属疲劳损伤机理、变形特性和破坏模式存在较大差异。将疲劳损伤全寿命过程按照循环寿命周次划分为超高周、高周、低周和裂纹扩展4个类别,根据变形响应特性和变形机理特征阐述了各类别疲劳损伤的研究现状及发展趋势,涉及宏观尺度、微细观尺度和宏细微观多尺度理论体系。同时结合工程实际案例,以轧辊和燕尾榫作为代表性构件,分析其疲劳损伤行为与影响因素,探讨了目前疲劳理论在工程实践中的应用及挑战,旨在为金属疲劳损伤全寿命理论体系的完善和关键部件健康质量管控提供理论依据和技术指导。

基于静强度分布参数的复合材料剩余强度及寿命预测

为探讨剩余强度及疲劳寿命与初始静强度分布参数之间的关系,构建基于初始静强度分布参数的剩余强度和疲劳寿命计算模型。在模型构建过程中未涉及复合材料结构的层数、铺层厚度和铺层方向,适应性强。模型参数可通过静力试验和剩余强度试验获得,试验成本相对疲劳试验较低。剩余强度和疲劳寿命与初始静强度变异系数及其分布参数有关,当初始静强度服从威布尔分布时,疲劳寿命亦服从威布尔分布,可为开展疲劳可靠性提供借鉴和参考。算例表明,基于建立的模型,剩余强度计算结果最大误差为-1.58%,疲劳寿命与试验数据吻合较好。

核电厂重要设备爆破片服役寿命评价技术

针对爆破片现有的技术规范中鲜有服役寿命评价的技术说明,以某核电厂汽轮机低压缸爆破片为例,通过对寿命影响因素的梳理,进行了爆破片整体疲劳和爆破试验,并对金属部件的材质检验、缺陷检测,以及非金属部件进行加速老化试验和性能测试对比分析。研究结果表明,经过100次压力循环后,爆破片的性能保持在设计参数内,显示出良好的耐疲劳性能。金属部件的微观分析和非金属部件的加速老化测试均证明了材料的高稳定性和长寿命。在现有的服役条件和更换周期情况下,爆破片主要的寿命影响因素对其服役损伤影响有限,将更换周期延长一倍具有理论和试验数据支撑。该研究对破膜在工程中的应用、维护及更换策略具有一定的指导意义。

TBM刀盘裂纹损伤特性及疲劳可靠性研究

刀盘作为硬岩掘进机(tunnel boring machine, TBM)工作过程中的核心受力载体,承受多方向的随机载荷,容易萌生裂纹导致疲劳失效,影响施工进度和安全,因此研究其裂纹疲劳可靠性具有重要意义。本研究通过受力分析得到刀盘易萌生裂纹区域及应力特征,并使用子模型技术法计算刀盘裂纹应力强度因子,研究刀盘裂纹损伤特性;然后结合裂纹疲劳理论,构建了以裂纹扩展寿命为基本变量的TBM刀盘裂纹疲劳可靠性评估模型,应用JC法求解刀盘在不同工作环境下的可靠度,并讨论了不同因素对刀盘可靠度的影响。研究表明:裂纹尖端最深处的裂纹扩展以张开型和撕开型为主,而裂纹两端3种扩展形式都存在;刀盘的裂纹疲劳可靠度随着初始裂纹深度的增大而显著减小,随着裂纹形状比的增大而增大,而临界裂纹深度的变化对可靠度的影响不明显。

两级变幅应变疲劳本征损伤耗散寿命预测模型研究

在变幅低周疲劳载荷条件下,材料的疲劳损伤累积过程中呈现出了显著的载荷顺序效应.这种现象复杂化了变幅疲劳寿命的预测,因此,如何更精确地预测变幅低周载荷下的疲劳寿命,已经成为了一个亟待解决的问题.针对变幅低周疲劳载荷下损伤累积表现的载荷顺序效应,考虑到本征损伤耗散与疲劳损伤构成一一映射,且刻画低周疲劳破坏的热力学本质,基于连续介质损伤力学及其不可逆热力学框架,推导本征损伤耗散功演化模型D型描述并以等同本征损伤耗散功作为损伤转换条件,建立了一种考虑载荷顺序效应的变幅低周疲劳寿命预测模型.为了验证新模型的有效性和先进性,进行了P355NL1结构钢和Ti-6Al-4V钛合金在两级变幅载荷下的单轴低周疲劳实验验证,并与Manson模型、Kwofie模型和Peng模型进行了比较分析.研究结果表明,新建模型的预测效果都在1.5倍的误差范围内,与实验结果相当吻合,且优于现有的预测模型.运用本征损伤耗散理论开展变幅疲劳寿命预测,为金属材料变幅疲劳寿命预测提供了新思路.

基于表面裂纹萌生与扩展的疲劳寿命预测模型

为了预测表面裂纹萌生与扩展的疲劳寿命,分别对渗碳CrMn钢的光滑试样与渗氮CrNi钢的光滑、缺口试样开展超高周疲劳试验,观察试样的疲劳缺口,分析试样的S-N曲线及疲劳损伤机理。考虑应力比、疲劳缺口系数与残余应力3种因素,构建更准确的裂纹萌生寿命预测模型,并对表面失效的裂纹萌生寿命进行预测。用Israel提出的裂纹扩展寿命预测模型计算裂纹扩展寿命,再将预测的裂纹萌生与扩展寿命相结合得到总疲劳寿命。结果表明:裂纹萌生寿命预测模型的预测结果与试验结果基本一致,构建的新模型较可靠。计算的总疲劳寿命与试验疲劳寿命相比,绝大部分都小于3倍误差,寿命预测较精准。

扭力梁式后悬架扭转工况下横梁疲劳特性研究

基于有限元仿真,对扭力梁式后悬架扭转工况下横梁的疲劳特性进行了分析,提出了一种利用等效试样预测复杂结构零件疲劳寿命的新方法;建立了扭力梁式后悬架仿真模型,分析了横梁的应力分布规律;基于静力学分析结果,结合FB590高强钢疲劳寿命曲线、成形后横梁表面粗糙度以及表面残余应力,根据名义应力法和Gerber平均应力修正计算了横梁的疲劳寿命,并根据危险区弯曲变形程度设计了不同弯曲半径的等效试样(AR、R20和R10)进行疲劳试验和疲劳断口分析,实现了对横梁疲劳台架试验结果的有效预测。结果表明,在扭转工况下横梁疲劳危险区与应力集中区位于过渡段转角处,横梁的工况幅值-寿命曲线有效覆盖了服役情况下的所有负载情况,并得到了实际载荷谱的应力幅值参考范围;在台架试验中,R10与AR、R20等效试样交点寿命在横梁实际断裂寿命区域内,表明设计的等效试样疲劳试验可以有效表征横梁危险区的疲劳性能。

飞机结构螺栓连接细节疲劳断裂失效机制与寿命分析

针对随机块谱作用下飞机典型螺栓连接接头的疲劳失效,利用显微观测技术分析宏观和微观断口形貌特征,揭示螺栓连接结构细节的失效模式和微观失效机制。结合连接结构细节的疲劳载荷谱和微观疲劳条带特征,基于Paris公式定量反推接头的疲劳裂纹扩展和萌生寿命,建立载荷循环数、飞行小时数与疲劳裂纹长度之间的演化规律。研究表明,螺栓接头的疲劳裂纹萌生于螺栓孔下部表面应力集中处,呈多源模式,断面包括裂纹源区、扩展区和瞬断区等典型疲劳特征;寿命反推表明,两段函数式能够合理表征全寿命周期内疲劳裂纹扩展长度与载荷循环次数和飞行时间之间的演化规律;疲劳裂纹扩展和萌生寿命分别为3147.7 h、615.4 h,连接接头的设计方案与工艺尚需改进以满足安全寿命设计要求。

预弯曲变形和退火工艺对双相高强钢FB590疲劳性能的影响

开展了汽车底盘部件典型材料双相高强钢FB590在预弯曲变形和退火工艺下的拉伸试验和疲劳试验研究,采用宏观和微观分析方法阐释了力学性能和疲劳性能的变化规律,并基于塑性应变能法建立了疲劳寿命预测模型。结果表明,预弯曲变形产生的冷作硬化和位错强化导致材料的强度提升以及伸长率下降,从而提高了双相高强钢FB590的低周疲劳性能,降低了其高周疲劳性能。经过退火处理后,消除了预弯曲变形产生的残余应力,试样具有优异的高周疲劳性能。疲劳断口分析发现,双相高强钢FB590呈现典型的疲劳断裂模式,预弯曲试样瞬断区的韧窝数量减少,使材料的延性下降,且经退火处理后未见明显改善。采用疲劳寿命预测模型计算的试样预测寿命和对应的试验数据都落在2倍分散带内,表明模型预测效果较好。

正拱开缝型爆破片疲劳性能试验及模拟研究

由于压力容器在使用过程中内部存储压力会发生周期性变动,爆破片在其服役期内难免受到循环载荷的作用,因此对爆破片疲劳性能的研究十分必要。以正拱开缝型爆破片作为试验对象,提出一种Abaqus和FE-SAFE联合仿真预测疲劳寿命的方法,并通过正交仿真试验研究结构参数对疲劳寿命的影响。结果表明:最大循环压力在0.6 P b~0.85P b范围内仿真误差小于12%,爆破片疲劳薄弱点位于应力桥两端应力集中部位;随着循环压力的减小,疲劳寿命增加,二者符合幂函数关系,且最大循环压力低于0.6 P b时,爆破片最大应力小于316L材料的疲劳极限应力,使得疲劳寿命大幅延长;厚度、桥长、桥个数对疲劳寿命的影响程度占比分别为50.2%,38.07%,11.73%,厚度与疲劳寿命呈正相关关系,而桥长、桥个数则呈负相关关系。研究结果可为耐疲劳爆破片的研究方法与设计思路提供参考。

航空发动机液压管路疲劳寿命预测模型研究

为较为准确地评估航空发动机液压管路的疲劳寿命,提出一种疲劳寿命预测模型。该模型重点计算一个循环周期内载荷对液压管路造成的损伤,在此基础上,建立液压管路危险点处的应力与疲劳寿命之间的解析关系式。将该模型用于某型航空发动机外部液压管路疲劳寿命的计算,并将该理论计算结果与有限元仿真结果进行对比,验证了该疲劳寿命预测模型的有效性。

腐蚀管道极限弯矩的简便工程计算方法

针对腐蚀管道极限弯矩的工程计算问题,采用完好管道的极限弯矩和等深减薄管道的极限弯矩,应用腐蚀缺陷面积和等深减薄面积的比值,建立了腐蚀管道极限弯矩的估算公式。经分析计算和比较,提出了腐蚀管道极限弯矩的简便计算公式和方法,采用该方法计算18种工况的极限弯矩,其计算值和数值解的误差在-1.3%~1.05%。因此,简便工程计算方法能够较准确地计算对称腐蚀管道的极限弯矩,具有重要的工程意义。

激光增材制造金属材料疲劳寿命研究

随着军用飞机上越来越多的结构件使用增材制造(AM)技术成形,对增材制造材料和结构疲劳特性的研究就变得十分迫切.为了研究激光增材制造(选区激光熔化成形,SLM)铝合金以及钛合金的疲劳寿命特性,设计了一系列带各种结构细节的模拟试验件,进行常幅谱和随机谱下的试验,统计分析了各组试验的基本可靠性寿命,并得到了可靠度安全寿命曲线.断口分析发现铝合金试验件缺陷较多,存在混合失效特征,而钛合金试验件疲劳分散性较锻件大.

考虑成形与循环滞后的波纹管疲劳寿命研究

为提高波纹管疲劳寿命计算精度,建立了一种综合考虑成形影响和材料循环特性的波纹管疲劳寿命计算有限元模型。基于ABAQUS平台计算获得了波纹管成形后的实际轮廓和壁厚,利用FE-safe软件提取了材料稳态循环滞后应力应变曲线,计算出波纹管疲劳寿命,并与理论计算值、理想模型结果和实验结果进行了对比。结果表明:考虑成形与循环滞后影响的波纹管疲劳寿命仿真模型可以有效提高计算精度,其与实验结果误差在12%以内;理想模型误差范围为14%~62%;理论计算值结果误差最大。

硬质金属材料多轴高周疲劳寿命快速预测方法

在对30CrMnSiA钢多轴疲劳寿命研究的基础上,基于单轴拉压和纯扭S-N曲线,提出了等效S-N曲线的概念。基于等效S-N曲线,建立了预测硬质金属材料多轴疲劳寿命的经验公式。采用该公式对文献中的多种硬质金属材料进行了寿命预测,预测结果显示94.0%以上的数据点均处于±3倍疲劳寿命分散带之内,81.8%以上的数据点处于±2倍疲劳寿命分散带之内。

考虑90°子铺层的T300/69层合板断裂韧性数值模拟和实验研究

针对现有复合材料层合板断裂韧性计算模型忽略了90°子铺层和纤维脱粘对断裂韧性的影响,提出了修正的断裂韧性计算方法.首先,在研究正交异性纤维增强复合材料断裂韧性时,借助ABAQUS有限元软件,使用扩展有限元法模拟T300/69纤维增强复合材料层合板裂纹扩展过程,分析90°子铺层对层合板整体断裂韧性的影响.其次,考虑纤维脱粘效应结合能量释放率建立考虑90°子铺层影响的断裂韧性模型.最后,通过紧凑拉伸实验,利用位移-载荷数据研究不同铺层方式下T300/69复合材料层合板的断裂韧性,验证该模型的准确性.结果表明,该模型所得断裂韧性与实验结果误差较小,更贴近实际情况,对实际工程具有较为重要的指导意义.

考虑焊接残余应力的波形钢腹板PC梁关键细节疲劳可靠度研究

焊接残余应力对波形钢腹板细节疲劳寿命的影响不可忽略,本文以头道河大桥为工程背景,基于ABAQUS有限元软件,建立波形钢腹板焊接构件数值模型,提出不同波折角度的波形钢腹板残余应力模型。采用瞬态分析方法,分析6种典型车辆作用下波折角区域焊缝细节的应力时程。在此基础上,构建考虑焊接残余应力和车辆荷载共同作用下的波形钢腹板细节疲劳极限状态方程,讨论不同波折角度和交通增长率对疲劳可靠度指标的影响规律。研究表明,翼缘板-波形钢腹板焊接构件斜边两侧的纵向残余应力呈对称分布,焊接细节转角区域圆弧外侧的纵向残余应力整体高于圆弧内侧,随着波折角度的增加,两侧焊缝附近的纵向残余应力变大;在桥梁设计基准期取100年时,30°波折角度焊缝细节疲劳可靠度是60°波折角度的1.05倍;交通量的线性增长对头道河大桥焊缝细节的疲劳可靠度影响较大,不考虑交通增长率的焊缝细节疲劳可靠度是α=5%的1.84倍。

随机不确定性下Kriging辅助的谐波减速器柔轮疲劳寿命预测

柔轮作为谐波减速器核心传动件,在循环交变载荷作用下容易发生疲劳失效,其疲劳寿命直接影响谐波减速器的工作寿命。为揭示随机不确定性因素对谐波减速器柔轮疲劳寿命的影响规律,本文考虑材料属性和载荷等不确定因素对谐波减速器柔轮开展疲劳寿命预测研究,以期实现更客观地评估柔轮疲劳寿命。首先,建立柔轮的三维模型和有限元模型,通过有限元分析及寿命计算获得确定性条件下的柔轮寿命。然后,将材料属性及载荷考虑为随机变量,采用拉丁超立方抽样方法对柔轮进行试验设计。最后,基于主动学习Kriging模型和柔轮材料P-S-N曲线,通过逐一加点的方式对柔轮进行疲劳寿命分析,获得疲劳寿命统计结果,并与确定性条件下的柔轮疲劳寿命结果进行对比。结果表明,随机不确定因素影响下柔轮疲劳寿命预测结果与确定性条件下相比有所降低,对柔轮抗疲劳设计具有一定指导意义。

考虑平均应变的低周疲劳寿命本征损伤耗散预测方法

金属构件疲劳破坏是工业中常见的破坏形式。为了提高构件疲劳寿命的预测精度,针对低周疲劳载荷下平均应变对疲劳寿命的影响,基于连续介质损伤力学及其不可逆热力学框架,并引入Ramberg-Osgood循环本构模型,以等本征损伤耗散功作为等寿命条件,建立了一种考虑平均应变的低周疲劳寿命预测模型。为对比验证新建模型的有效性和先进性,采用新建模型、修正的Ohji模型、Sandor模型和Wei-Wong模型分别对叠加平均应变的45钢和2124-T851铝合金的低周疲劳寿命进行了预测,并与对应的试验结果进行对比。结果表明:新建模型的预测结果与试验结果吻合较好,其预测效果优于现有模型。基于本征损伤耗散理论的疲劳寿命预测方法为金属材料疲劳寿命的预测提供了新思路。