应变比对填充天然橡胶疲劳特性影响的试验及其寿命预测方法研究

对由汽车橡胶隔振器常见的橡胶材料制作的哑铃形圆柱试件,进行不同应变比R下的疲劳试验,并分析应变比R对疲劳寿命的影响。以应变峰值、应变幅值为损伤参量,建立相应的疲劳寿命预测模型,并对R 0、R<0两种工况下模型的预测结果进行比较。结果表明,当R 0时二种模型都有较高的预测精度,而在R<0的载荷工况下,R对用应变幅值为损伤参量的预测模型的预测精度影响较大,为此建立考虑应变比R效应的等效应变幅值,并以此为损伤参量建立R<0的寿命预测模型,该模型预测的寿命与实测寿命的偏差均在2倍分散因子之内,相关系数提高到0.9231。所得到的填充天然橡胶材料的疲劳寿命预测模型,可为橡胶隔振器前期耐久性结构设计提供参照。

考虑应变均值影响的天然橡胶隔振元件疲劳寿命预测

对橡胶试柱进行单轴疲劳试验,分析了应变幅值一定时,应变均值对疲劳寿命的影响。以哑铃型天然橡胶试柱为研究对象,通过有限元计算分析,得到了加载位移与橡胶试柱危险位置处最大主应变的关系。构建了应变均值函数,以应变比R=0时的ε-N曲线为基准疲劳寿命曲线,建立了不同应变均值和幅值下的天然橡胶隔振元件的疲劳寿命预测模型。使用该模型预测得到的哑铃型天然橡胶试柱疲劳寿命与试验疲劳寿命具有较好相关性。提出的天然橡胶元件的疲劳寿命预测模型,可用于建立天然橡胶材料的疲劳寿命数据库。

2A70铝合金应变疲劳全寿命预测模型

针对2A70铝合金在全寿命范围内的疲劳寿命预测问题,开展了2A70铝合金材料拉伸试验、单轴拉压条件下的低周疲劳试验和高周疲劳试验,讨论了全寿命范围内通过应变进行寿命预测的优势,提出了一种应变疲劳全寿命曲线模型,建立了2A70铝合金的应变疲劳全寿命曲线。通过试验结果对本模型以及3种常用模型的参数进行了标定,并对4种模型的预测结果进行了对比分析,结果表明,提出的新模型寿命预测结果均在3倍误差带范围内,平均误差和分散性都较小,寿命预测精度优于其他3种模型,新模型更适合于2A70材料在同样应变比条件下的疲劳寿命预测。

橡胶隔振器疲劳寿命智能预测

在不同应变比恒幅疲劳载荷环境下,橡胶隔振器常用一种填充天然橡胶材料制成的哑铃型试件进行单轴疲劳试验,进而构建一种用来预测橡胶疲劳寿命的支持向量回归(Support vector regression,SVR)模型.为改善预测模型的收敛速度、准确度和稳定性,引入改进的麻雀搜索算法(Improved sparrow search algorithm,ISSA)来优化SVR模型超参数.与遗传算法(Genetic algorithm,GA),粒子群算法(Particle swarm optimization algorithm,PSO),标准的麻雀搜索算法(SSA),差分进化-灰狼算法(Hybrid grey wolf optimization,HGWO)优选参数的SVR模型进行对比结果表明,基于ISSA-SVR模型的预测精度、速度和稳定性都表现最佳.为进一步说明ISSA-SVR模型的预测能力,建立考虑应变比影响的疲劳寿命解析模型.对ISSASVR模型、解析模型和两个已发表模型的比较分析表明,ISSA-SVR具有最准确的预测寿命,预测结果聚集在1.5倍分散线以内.

基于DBO-ELM模型的隔振橡胶疲劳寿命预测

车辆隔振橡胶通常受到频率和振幅随时间变化的动态载荷作用,需要建立不同应变比下橡胶疲劳寿命的高精度预测模型。基于蜣螂优化算法(DBO)和极限学习机(ELM)模型,提出一种考虑不同应变比下隔振橡胶疲劳寿命的预测方法。基于隔振橡胶试样单轴加载疲劳试验,得到不同应变比载荷下试样疲劳寿命;以应变幅值、应变均值与应变比为输入变量,将橡胶疲劳寿命作为输出变量,利用DBO算法优化ELM模型中的输入层权值和隐含层偏置,建立橡胶试样疲劳寿命预测DBO-ELM模型。对比分析所提出的DBO-ELM模型、机器学习模型和幂函数模型下隔振橡胶预测寿命的精度。结果表明:基于DBO-ELM模型的预测结果与试验结果吻合最好,能够显著提高橡胶疲劳寿命预测的精度,验证了DBO-ELM橡胶疲劳寿命预测模型的有效性。

连续油管应变疲劳寿命预测

连续油管疲劳是多向载荷共同作用下的应变疲劳,准确预测其疲劳寿命比较困难,其中如何计算在管内流体内压作用下连续油管弯曲塑性应变是关键点。建立了在弯曲和内压共同作用下连续油管的当量塑性应变估算模型以及表面损伤的连续油管在表面缺陷处的塑性应变估算模型,认为管内流体压力和表面缺陷都会增加连续油管的塑性应变,管内流体压力引起连续油管塑性应变的增量随着内压增大呈指数增加,表面缺陷引起连续油管塑性应变的增量也随着缺陷损伤程度呈指数增加。内压大小可以用管内流体压力与连续油管内压强度的比值表征,缺陷损伤程度可以用缺陷的深度、宽度、长度等参量与连续油管有关几何尺寸的比值表征。用疲劳试验方法检验了模型的正确性。可以用Miner疲劳累积线性法则评估连续油管疲劳寿命,焊缝、腐蚀介质等影响因素可以用系数衡量。

镍基高温合金的热机械疲劳寿命预测模型研究

针对发动机热端部件常用材料镍基高温合金GH4169进行了200~450℃及400~650℃条件下的同相位热机械疲劳(TMF)试验,考虑TMF条件下多晶材料在弹性阶段产生的微观损伤应变能,提出一种适用于多晶材料的TMF寿命预测模型,并结合试验数据确定模型参数;采用GH4169、IN718、DD8三种高温合金对该模型的TMF寿命预测能力进行评估,结果表明,提出的寿命模型预测精度高于TMF寿命预测常用的Manson-Coffin模型和Ostergren模型。

氧化铈填充硫化天然橡胶疲劳寿命预测

为了保证橡胶组件的安全性和可靠性,疲劳寿命预测和评估在橡胶组件设计过程中是非常必要的,本文根据天然橡胶材料特性和失效准则提出了ε-N预测方程,基于氧化铈填充硫化天然橡胶在不同应变幅值下的疲劳试验数据,对疲劳方程进行非线性拟合求出参数,然后对氧化铈填充硫化天然橡胶材料试件的疲劳寿命进行预测,并对预测结果进行了评估。结果显示预测曲线与试验数据拟合良好,预测结果较好。

变幅载荷下填充型天然橡胶疲劳试验与预测方法研究

以填充天然橡胶哑铃型圆柱试件为研究对象,进行不同应变比R与变幅载荷下的单轴疲劳试验,并分析变幅载荷对疲劳寿命的影响。以应变幅值为损伤参量,建立基于应变比R=0的等效应变幅值统一疲劳寿命预测模型,利用该模型预测所有应变比工况下的疲劳寿命,其预测值与实测寿命的偏差在2倍分散因子以内;对不同应变比R、载荷水平、加载顺序与停顿时间等变幅载荷下的疲劳寿命进行单轴疲劳试验,基于Miner线性损伤法则预测变幅载荷下的疲劳寿命,和实测寿命相比其偏差都落在2倍分散因子以内;对哑铃型试件进行随机载荷疲劳试验,通过雨流统计和不同应变比R下的统一疲劳寿命预测模型计算其总寿命,预测结果和实测结果最大误差在34%以内。验证了Miner线性损伤法则在填充型天然橡胶疲劳寿命预测中的普适性,所建立的不同应变比R下的等效应变幅值统一疲劳寿命预测模型可用于橡胶隔振器的前期耐久评估。

不同控制模式下316L不锈钢的高温疲劳变形行为及寿命预测

在550℃下对核电用316L不锈钢进行应变控制(应变幅在0.3%~1.2%)、应力控制(应力幅在230~300 MPa)低周疲劳试验和应变控制蠕变疲劳试验(3种波形,拉伸保载60,180,600 s,压缩保载60,180 s,拉压对称保载180 s),通过疲劳寿命、循环响应特征和应力-应变滞回曲线分析了不同控制模式下试验钢的疲劳变形行为;构建疲劳寿命预测模型,评估了Manson-Coffin-Basquin模型、SWT模型和能量法模型对不同控制模式下试验钢疲劳寿命的预测能力。结果表明:在不同控制模式的疲劳循环载荷下,316L不锈钢的循环应力响应均包括循环硬化、循环软化和失效断裂3个阶段;在低周疲劳试验中,疲劳寿命随应变幅或应力幅的增大而缩短;在蠕变疲劳试验中,疲劳寿命随拉伸保载时间的延长而缩短,随压缩保载时间的延长而增大,这与动态应变时效和蠕变对疲劳损伤的综合作用有关;在相同保载时间下,压缩保载下的疲劳寿命比拉伸保载下的短,这与不同加载方向引起的氧化层致裂机制有关。能量法模型对316L不锈钢在不同控制模式下的疲劳寿命预测精度最高,预测精度在1.5倍误差带以内,Manson-Coffin-Basquin模型的预测精度最低。

不同胶结剂和骨料类型混凝土受压疲劳性能试验及寿命预测模型

为研究不同胶结剂和骨料类型对混凝土受压疲劳性能的影响,采用3种胶凝材料:普通硅酸盐水泥(ordinary portland cement,OPC);由30%OPC,20%粉煤灰(fly ash,FA)和50%磨细矿渣(ground granulated blast-furnace slag,GGBS)组成的高掺量辅助胶凝材料(supplementary cementitious material,SCM);由50%FA和50%GGBS组成,并掺入Na_(2)SiO_(3)和Ca(OH)_(2)的碱激发剂胶凝材料(alkali-activator,AA),试验制作了天然骨料混凝土(normal-weight concrete,NWC)和轻质骨料混凝土(light-weight concrete,LWC),开展恒应力循环压缩试验。最大应力水平设置3个等级,分别为混凝土静态单轴抗压强度的75%,80%和90%,而最小应力水平固定为静态抗压强度的10%。基于对试验结果的回归分析,建立了疲劳寿命和疲劳应力-应变曲线模型。结果表明,LWC的疲劳寿命略低于NWC,LWC的疲劳应变高于NWC,且与OPC混凝土相比,对于SCM或AA混凝土以上规律更加凸显。本文提出的不同胶结剂和骨料类型混凝土的改进疲劳应力-应变模型,具有计算精度高、计算过程简单、不需要繁琐迭代计算的优势。研究成果可为预测轻骨料混凝土疲劳应力-应变曲线及疲劳寿命提供一套新的方法。

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。

基于等效应变的橡胶弹性元件疲劳寿命预测研究

以橡胶材料的等效应变为疲劳损伤参量,利用沙漏状橡胶试样的疲劳试验测试数据,建立了橡胶弹性元件的疲劳预测模型。以拉杆球铰为疲劳寿命预测研究对象,根据有限元分析结果得到疲劳载荷工况下拉杆球铰危险区域的等效应变范围,利用所建立的疲劳预测模型对橡胶球铰的疲劳寿命进行了分析预测,并通过台架疲劳实验进行了对比验证。结果表明,预测疲劳寿命的误差小于30%,基于等效应变的疲劳预测模型能有效地预测弹性元件的疲劳寿命。

基于线性疲劳累计损伤橡胶悬置疲劳寿命预测研究

橡胶元件疲劳寿命的有效预测是其设计开发过程中的重要环节。引入橡胶元件线性疲劳累计损伤原理,提出张量形式橡胶疲劳寿命公式,且根据橡胶材料的实际承载工况提出其失效标准。依据橡胶材料的承载变形可简化为单轴拉伸及简单切应变,设计用于承载拉伸载荷的哑铃型橡胶试柱和承载剪切载荷的环形橡胶试柱,并实测疲劳寿命数据,以最小二乘法原理拟合拉伸与剪切的疲劳寿命函数公式。以车用变速箱悬置与发动机后悬置为疲劳寿命预测研究对象,通过分析其承载位移载荷时的应变张量,利用张量形式的疲劳寿命预测公式预测两种悬置在两种典型工况下的疲劳寿命。结果发现,橡胶材料的拉伸疲劳寿命曲线与简单剪切疲劳寿命曲线的变化趋势一致、形状类似、拟合函数幂指数十分接近;张量形式的疲劳寿命预测公式可有效地预测橡胶悬置的疲劳寿命。

随机疲劳寿命预测的局部应力应变场强法

在应力场强法研究的基础上，提出了缺口疲劳损伤局部应力应变场强方法，该方法可同时考虑缺口根部局部应力应变梯度对疲劳损伤的影响。通过对缺口件进行随机交变加载下的弹塑性有限元分析，给出一种随机疲劳寿命预测的局部应力应变场强方法，由该法来预测缺口件疲劳裂纹形成寿命，经初步验证，其精度要高于传统的局部应力应变法。

P91钢蠕变-疲劳交互作用应变特征与寿命预测

对电厂用关键材料P91钢在546℃下进行应力控制的蠕变疲劳交互作用研究,分别对滞回线,全应变范围,平均应变和非弹性应变进行分析和讨论。基于应力控制蠕变-疲劳交互实验特点,考虑了上下保载时间对寿命的影响,采用改进型的频率修正法对P91钢进行寿命预测。研究结果表明:应力控制下的蠕变-疲劳交互作用,使P91钢呈现兼有循环蠕变与静蠕变的失效形式,随着循环数的增加,滞回线向右移动:非弹性应变影响了蠕变-疲劳交互寿命,其增长速率随着材料寿命的减小而增大。寿命预测结果与试验结果吻合较好,95%的数据点落于2倍误差带范围之内。研究结果为P91钢蠕变疲劳寿命预测提供了理论和实验基础。

基于改进应变能密度法的电动轮自卸车车架焊缝疲劳寿命预测

针对复杂载荷作用下焊接结构应力应变响应出现非完全封闭而交叉的现象,考虑封闭环以外的塑性应变能密度,提出了一种改进的应变能密度计算方法。通过设计制作对接接头试验试件,开展了焊接接头机械性能和疲劳试验研究,获取了Ramberg-Osgood方程参量并构建了基于总应变能密度的疲劳损伤模型。建立了电动轮自卸车车架有限元模型,开展了车架焊缝多载荷步非线性有限元分析。结合新方法和数值模拟得到的应力应变响应计算危险点各应变能密度,依据拟合的疲劳损伤模型进行寿命预测,计算结果与实际失效位置和开裂时间吻合较好。

基于Walker等效应变的涡轮盘低周疲劳寿命预测

基于Walker应变寿命预测模型在103 ～ 105范围变化趋势的基础上,提出了一种简化的Walker应变寿命预测模型,应用简化模型对发动机涡轮盘的低循环疲劳寿命进行了预测.采用GH4133合金的试验数据对简化模型进行验证;采用不同方法对涡轮盘的寿命进行预测,并与涡轮盘的试验值进行比较.结果表明：本工作简化模型预测精度较高,涡轮盘的寿命预测值与试验结果吻合较好,并且简化模型简单明了.

基于加权应变因子的叶片振动疲劳寿命预测

通过循环应力-应变方程和应变-寿命方程推导了可预测材料高、低周疲劳寿命的非线性疲劳损伤累积模型。模型中引入弹性、塑性加权应变因子对疲劳延性指数和疲劳强度指数进行修正,以考虑疲劳过程中弹塑性应变共同作用对疲劳损伤累积速率的影响。以某型航空发动机压气机叶片为研究对象,利用所建立的模型预测其疲劳寿命,并与试验结果、Basquin方程、改进的Basquin方程的预测结果进行对比分析。结果发现:在低应力水平(≤700MPa)下,三种预测模型给出的高周疲劳寿命误差小于30%;但是当应力水平达到770MPa时,所建立模型的预测精度比Basquin方程和改进的Basquin方程分别提高89.14%和22.73%。

基于等效应变的轮盘低循环疲劳寿命预测

针对轮盘低循环疲劳载荷非对称及其主要寿命区限,提出一种简化的等效应变寿命预测模型,对某型发动机高压压气机I级盘进行了低循环疲劳寿命预测。补充了1Cr11Ni2W2MoV材料轴向应变控制的低循环疲劳试样试验,设计了高压压气机I级盘低循环疲劳试验件,在旋转试验器上进行了轮盘的低循环疲劳试验,得到3个盘的平均低循环疲劳试验寿命为4 280个试验循环。通过与试验寿命的比较,等效应变寿命预测误差为41.8%,Manson-Coffin预测误差为99.2%。结果表明:简化的等效应变寿命预测方法是有效的,而且对试验盘的寿命预测精度比Manson-Coffin预测模型高。