局部有限寿命疲劳约束条件下的结构拓扑优化方法

拓扑优化方法为工程结构抗疲劳性能的改善提供了有效的设计策略,为了减少大规模局部疲劳约束引起的计算代价,往往采用P范数方法将其凝聚成全局约束,但是,满足这类弱约束的最优解与原问题的最优解存在间隙。为了精确满足局部疲劳约束和降低约束数量,采用增广拉格朗日方法将原问题处理为无约束问题,提出局部有限寿命疲劳约束条件下的结构拓扑优化方法。考虑变幅值的比例载荷作用,采用Palmgren-Miner线性损伤假设和Sines疲劳准则评价材料点的疲劳强度,以局部疲劳性能为约束条件,建立结构的轻量化设计模型,采用全局收敛移动渐近线算法求解局部疲劳约束下的结构拓扑优化问题。另外,将非结构化多边形网格技术融入到拓扑优化模型,实现复杂几何边界结构的抗疲劳轻量化设计。数值算例结果表明,与P范数方法的优化结果相比,局部疲劳约束条件下的优化结构具有更优的抗疲劳性能和更少的材料用量,因而考虑局部疲劳约束有益于材料的充分利用和结构抗疲劳性能的改善。

基于优化等寿命疲劳极限模型的风力机叶片寿命预测

针对风力机叶片在随机载荷作用下有效评估疲劳寿命问题,提出一种描述典型玻璃纤维增强复合材料(GRP)等寿命疲劳极限模型,与3种经典模型进行对比分析,并指出GRP在拉伸和压缩阶段损伤累积方式存在差异,反映出等寿命疲劳极限曲线并不对称且呈钟形形状,对比分析该模型在应力-寿命数据中的预测效果。通过ANSYS软件建立风力机叶片数值仿真模型,分析随机载荷平均应力和应力幅值双参数随机变量特征,采用试验数据拟合风力机叶片复合材料应力-寿命曲线量化损伤,最终应用Miner线性疲劳损伤累积法则对各循环损伤进行累积计算总疲劳寿命,结果验证了该模型在利用仿真数据预测风力机叶片疲劳寿命的合理性。

基于断裂力学的立式杀菌锅全寿命疲劳分析

目的:研究一种新型立式杀菌锅在热机循环载荷下的疲劳强度,特别是在锅体出现裂纹后的剩余疲劳寿命以及影响杀菌锅疲劳裂纹扩展的因素.方法:从杀菌锅结构完好的设计疲劳寿命和有裂纹后的剩余疲劳寿命两个方面对其进行全寿命疲劳分析.采用Workbench分析杀菌和3种循环载荷下杀菌锅的力学特性;基于SGN曲线研究杀菌锅在3种交变应力下的设计疲劳寿命;基于断裂力学原理研究初始裂纹尺寸、压力、温度对有裂纹杀菌锅应力强度因子和剩余疲劳寿命的影响.结果:此类立式杀菌锅的设计疲劳寿命为5×10^(5)次,满足设计需要且有一定安全余量;基于断裂力学分析得出杀菌锅裂纹尺寸寿命曲线,对含缺陷杀菌锅剩余寿命进行预测,具有一定创新性.结论:使用过程中应关注锅体内部裂纹的产生和扩展情况,可以根据试验提出的方法对杀菌锅裂纹缺陷进行强度分析和寿命预测.

WE94镁合金长寿命疲劳小裂纹萌生和扩展行为研究

镁合金作为结构材料在汽车、航空、航天等领域有广泛的应用前景,在实际服役过程中存在高频振动荷载的长期作用。为解决镁合金结构件在长寿命服役条件下的安全与可靠性问题,基于旋转弯曲和超声振动加载两种疲劳实验方法,研究WE94镁合金在高周与超高周区间(104~109周次)的疲劳强度与失效机制。结果表明,疲劳裂纹萌生于沿基面的滑移带并在断裂面上形成解理状“小平面”形貌;而在疲劳小裂纹扩展初期,裂纹面存在大量细小平行状条带,该条带于裂纹尖端与孪晶带的交互作用过程中形成。因此,镁合金疲劳小裂纹的萌生与扩展过程对材料局部微结构形态与变形机制表现出密切的相关性。

GCr15钢旋转弯曲超长寿命疲劳性能分析

轴承钢GCr15旋转弯曲超长寿命疲劳实验获得的应力-寿命(S-N)曲线数据分散性较大且呈连续下降趋势,不能用台阶下降的S-N曲线描述.断口分析表明,在高应力幅区疲劳破坏主要起始于试样表面的加工划痕或夹杂物;随着应力幅的降低,疲劳破坏主要起始于试样内部的夹杂物.内部破坏均带有鱼眼特征,大部分的内部夹杂物周围带有颗粒亮区(GBF区).夹杂物尺寸的较大分散程度和小尺寸夹杂物的簇集是引起GCr15钢疲劳寿命分散性较大的因素.使用推定的GBF区成长率能够定量分析夹杂物尺寸对疲劳寿命分散程度的影响.

沥青混合料应变-寿命疲劳方程研究

在国内外研究成果基础上,提出了合理可行的沥青混合料直接拉伸疲劳试验中试件尺寸、失效判据、控制方式、加载频率和试验温度等条件.基于不同应变水平的疲劳试验结果,分析了平均应力影响,建立了沥青混合料应变—寿命疲劳方程,可作为疲劳开裂寿命预估的依据,并提出了沥青混合料疲劳开裂拉应变的阀值和极限值.利用沥青混合料直接拉伸疲劳试验得到的应变—寿命疲劳方程能更好体现沥青混合料的疲劳特征,其疲劳开裂拉应变的阀值和极限值能充分反映沥青混合料疲劳破坏的过程.

高碳铬轴承钢的超长寿命疲劳行为的研究

使用砂漏型试样对高碳铬轴承钢的S-N曲线特性和破坏机理进行了研究。通过旋转弯曲疲劳试验获得的S-N曲线按照破坏模式的不同被划分为裂纹萌生位置不同的两组。一组叫做表面破坏模式的S-N曲线,它发生在高应力幅短寿命区,是由试样表面晶体滑移引起的。另一组叫做内部破坏模式的S-N曲线,它发生在低应力幅长寿命区,是由试样内部的非金属夹杂引起的。由于内部破坏模式的疲劳破坏发生在表面破坏模式的疲劳极限上下很宽的应力幅范围,因此,试验材料的S-N曲线的形状与通常报道的阶梯形状的S-N曲线的形状不同,它具有两条S-N曲线的特性。通过对断口上裂纹萌生位置的详细观察和裂纹萌生位置的初期尺寸参数的计算,阐述了内部破坏模式的破坏机理,提出了基于尺寸参数的超长寿命疲劳极限的推定方法。

SUJ2轴承钢超长寿命疲劳行为研究

采用超声疲劳试验机研究SUJ2轴承钢的超长寿命疲劳。结果表明:对于复合氧化物和TiCN裂纹源,裂纹从夹杂物与基体界面处萌生;铁、铬合金碳化物裂纹源则为夹杂物本身开裂。颗粒状亮面(GBF)相对尺寸正比于裂纹源处夹杂物边缘的应力强度因子范围1/ΔK2inc,对于本实验的SUJ2材料,当ΔKinc>8MPa·m1/2时GBF不再形成。通过数据拟合得到了GBF内裂纹扩展规律:area^(1/2)_(GBF)/area^(1/2)_(inc)=(m_1+m_2N_f)^(m_0),证实了Paris公式可以用来描述GBF内的裂纹扩展。

高碳铬轴承钢超长寿命疲劳破坏过程的研究

研究了高碳铬轴承钢超长寿命疲劳的破坏过程.结果表明,在超长寿命区,约在疲劳寿命的5%—10%时疲劳裂纹首先在内部夹杂物处萌生,由于夹杂物周围的球形碳化物开始从基体剥离,在夹杂物周围形成许多不连续的微小裂纹.然后,相邻的微小裂纹相互连接,直到疲劳寿命的90%以上,裂纹开始连续扩展.

深层滚压加工对高碳铬轴承钢超长寿命疲劳行为的影响

深层滚压加工对高碳铬轴承钢超长寿命疲劳行为的研究表明:与深层滚压加工前相同,在高应力幅短寿命区,疲劳裂纹萌生于试佯表面;由于表面压缩残余应力的影响,疲劳强度有所提高．在低应力幅长寿命区,疲劳裂纹萌生位置从未经深层滚压加工试样的次表面向深层滚压加工试样内部没有压缩残余应力和硬化层的位置转移;因弯曲应力梯度的影响,疲劳强度有了较大的提高．深层滚压加工可以提高高碳铬轴承钢在超长寿命区的旋转弯曲疲劳强度．

GCr15钢超长寿命疲劳破坏的机理

通过对试样断口的观察、断裂力学分析以及FRASTA仿真的方法，研究了GCr15钢在旋转弯曲加载下超长寿命疲劳破坏的机理，阐述了其内部裂纹萌生和扩展的力学条件，建立了颗粒状白色区域（GBF）的形成机理模型。结果表明：GCr15钢的内部破坏是由材料内部的非金属夹杂物引起的，并且在夹杂物的周围伴有GBF的形成，整个内部裂纹具有典型的“鱼眼”形貌特征；内部起裂是超长寿命疲劳破坏的典型特征。GBF的应力强度因子幅值△KGBF（4～6MPa·m^1／2）是控制内部裂纹扩展的临界参数，并且其形成过程占据了超长寿命疲劳过程的绝大部分。

等离子渗氮处理超级钢材的长寿命疲劳性能

采用等离子渗氮技术对两种抗拉强度约为2300MPa和2700MPa的超级钢材进行表面改性处理,再分别利用常规疲劳实验方法和压电超声频率加速实验方法进行长寿命疲劳性能实验研究,并重点讨论了等离子渗氮超级钢材长寿命疲劳性能和内部裂纹萌生机制。两种超级钢材在超过107应力循环后仍然发生破坏。实验结果表明,等离子渗氮可以显著提高麻时效钢的疲劳强度,但却有损于高碳铬轴承钢的疲劳性能。

研磨加工层对高碳铬轴承钢超长寿命疲劳行为的影响

为了阐明磨石研磨加工层对高碳铬轴承钢JIS SUJ2超长寿命疲劳行为的影响,分别使用经砂纸研磨和电解研磨的砂漏形试样,在室温空气环境下进行旋转弯曲疲劳试验。砂纸研磨试样被除去部分磨石研磨层,电解研磨试样被除去了全部的磨石研磨层。结果表明,两种试样的S-N曲线由位于短寿命区的表面破坏模式和位于长寿命区的内部破坏模式的两条组成,表面破坏模式的S-N曲线受表面粗糙度和表面压缩残余应力的影响。内部破坏模式的S-N曲线不受表面条件的影响,是材料固有的特性。砂纸研磨试样表面破坏模式的疲劳极限最高,是电解研磨试样1．11倍和磨石研磨的1．20倍。表面压缩残余应力对表面破坏模式疲劳极限的影响可以用修正Goodman图表示。还讨论裂纹的萌生和扩展条件,推定超长寿命的疲劳极限。

加载频率对钢铁材料超长寿命疲劳性能的影响

使用82 Hz轴向加载疲劳试验机和20 kHz非间歇式加载的超声疲劳试验机,对比研究了超声加载频率对轴承钢GCr15和35CrMo超长寿命疲劳性能的影响。断口观察表明:82 Hz轴向加载和20 kHz超声加载的GCr15试样,在全应力幅范围既发生表面破坏又发生由夹杂物引起的内部破坏;而35CrMo试样在两种频率下均为表面裂纹破坏,GCr15在超声加载的条件下应力强度因子要比82Hz轴向加载的试样小。根据寿命数据比较,超声加载频率提高了试样的疲劳寿命。

基于恒寿命疲劳结合S-N曲线的弹簧疲劳寿命分析

常规的弹簧疲劳寿命分析,是以弹簧材质的S-N疲劳曲线为依据,根据预期弹簧寿命,反复选择弹簧基本参数,验算达到疲劳强度安全系数≥疲劳许用安全系数,计算工作量大。介绍一种基于恒寿命疲劳结合S-N曲线的简单方法分析弹簧的疲劳寿命,为提高弹簧质量给出一些参考。

高速铁路关键材料超长寿命疲劳断裂性能

利用压电超声频率加速疲劳实验方法对钢轨钢、轴承钢及铝合金共7种高速铁路用材料进行测试。实验证明了超长寿命疲劳裂纹往往从材料内部夹杂生产的机制;而且,试件在超过107次、甚至109次应力循环后仍然继续发生破坏。由此可见,这些高速铁路材料并没有传统规范中所谓的疲劳极限,而只有疲劳强度。因此,只用107次循环以内的数据作为高速铁路材料疲劳设计的依据是危险的。

变幅载荷下的有限寿命疲劳设计方法和设计数据

本文论述了变幅载荷下的有限寿命疲劳强度评价方法与寿命估算方法，给出了用Ｍｉｎｅｒ 法则、修正Ｍｉｎｅｒ 法则和Ｃｏｒｔｅｎ－ Ｄｏｌａｎ 理论进行疲劳强度评价和寿命估算的方法和计算公式。最后，还用４ 种零构件进行随机疲劳试验对三种累积损伤理论的疲劳强度评价和寿命估算精度和安全性进行了验证和对比。

等幅载荷下的有限寿命疲劳设计方法

本文论述了等幅款待下的有限寿命疲劳设计方法，研究了非对称循环下的疲劳寿命估算方法和疲劳强度评价方法，推导出了各种非对称循环下的疲劳强度判据和计算应力表达式。并用4种零件进行疲劳试验．对提出的疲劳强度评价方法的精度和安全性进行了验证。

液压支架横梁全寿命疲劳分析

疲劳寿命是现代设计的一个重要指标。为解决设计中"疲劳强度"检验的"瓶颈",以液压支架试验台横梁为分析点,利用ANSYS、MSC.Fatigue对支架横梁疲劳寿命进行分析,结果表明:采用有限元、计算机仿真软件预先分析零部件的疲劳寿命,有利于节约成本,优化产品设计。

金属材料超长寿命疲劳行为及其微结构敏感性

高速列车、航空航天、核电等国家重大工程与装备的高速发展,促使关键部件需具备在超高周次条件(107~109周次)下的高可靠性与安全性.近30年的材料超长寿命疲劳研究发现,疲劳裂纹萌生与小裂纹扩展在疲劳失效过程中有着至关重要的作用,并且其发展演化过程与材料微结构有极大的相关性.从疲劳强度、疲劳裂纹萌生与小裂纹扩展的微结构敏感性3个方面对近年来最新实验与研究成果进行阐述,分析金属材料微结构性质、形态、分布等特征下的超长寿命疲劳行为与失效机理,为新型抗疲劳材料的设计与研发提供基础性依据.