不同驱动参量的金属材料疲劳裂纹扩展速率模型综述

疲劳裂纹扩展速率da/d N是金属材料进行损伤容限设计时用到的一项重要力学性能指标,其获得并不直接依赖于裂纹扩展的驱动参量,这为采用不同驱动参量表征da/d N提供了可能性。本文分别介绍了以裂纹尖端应力强度因子范围△K、能量释放率变化范围△G、J积分变化范围△J、张开位移变化范围△δ、塑性区变化范围△r、裂纹前缘附近应变范围△εT等为疲劳裂纹扩展驱动参量的裂纹扩展速率模型及应用,为研究疲劳裂纹扩展规律时不同驱动参量的选择提供依据。

CrMoV钢近门槛值区疲劳裂纹扩展评价模型准确性分析

近门槛值区的疲劳裂纹扩展行为及疲劳门槛值的确定对于工程材料与结构的疲劳性能和损伤容限设计具有重要意义。采用25Cr2Ni2MoV钢的疲劳裂纹扩展数据,运用Paris模型、NASGRO模型、Zhu-Xuan模型分别预测疲劳裂纹扩展门槛值,比较各模型的预测误差;进一步将Zhu-Xuan模型与转折点预测模型结合而建立的双线性评价模型,与ASME规范和BS 7910标准中的评价模型,开展相对误差和准确度的比较。结果表明,Zhu-Xuan模型误差在10%以内,准确度最高;双线性评价模型预测结果与试验数据具有较好的一致性、更高的准确度和稳定性,其精度提升程度最高可达28.6%。得出Zhu-Xuan模型及双线性评价模型对CrMoV钢材料的门槛值预测及寿命精准评定具有较好的适用性的结论。

基于改进裂纹扩展率模型的破损加筋板疲劳寿命预报方法(英文)

文章作者基于部分裂纹闭合的概念提出了一个改进的裂纹扩展率模型,对其参数的确定方法进行了研究,并将模型预报结果与多种合金的试验结果进行了比较验证。基于该模型建立典型构件的设计和评估流程是将该模型成功应用于船舶结构疲劳寿命预报的重要内容之一。加筋板是船舶结构最重要的单元,文中基于改进模型,对含穿透裂纹和表面裂纹的破损加筋板的疲劳寿命预报方法进行了分析,并与试验结果进行了比较,证明了该模型的有效性。

改进的统一疲劳裂纹扩展速率预报模型对合金在常幅载荷下普遍适用性的研究(英文)

精确预报金属结构的疲劳对确保结构安全及指导结构设计与维修具有重要的意义。作者们基于McEvily模型提出了一个改进的统一疲劳裂纹扩展速率模型,其将疲劳裂纹扩展的三个扩展区域统一起来,并能解释更多的疲劳试验现象。文中对该模型进行了详细阐述,同时对模型参数的工程预报方法进行了讨论。为了进一步检验本模型的可靠性,还对不同载荷比下各种材料疲劳裂纹扩展率的预报结果与实验结果进行了对比,对比结果证明了该模型的准确性及其在常幅载荷下对不同材料的普遍适用性。

基于改进的统一疲劳裂纹扩展速率模型的表面裂纹扩展规律预报(英文)

很多学者对表面裂纹形状变化规律进行了研究,但是理论上仍存在较大缺陷,因此现有方法预报结果的准确性有待考察。文章作者们提出了一个改进的统一疲劳裂纹扩展速率模型,本模型合理考虑了材料的非线性效应和裂纹前缘的三维约束效应及三维约束大小在前缘各点的分布函数。通过引入等效厚度的概念及法线方向扩展的假定较好地考虑了裂纹前缘各点对扩展之后形状比变化规律的影响,预报得到的裂纹前缘形状能够观察到明显的边界点扩展滞后现象,同时本模型预报结果与试验结果及传统模型预报结果进行了比较,证明本模型提高了表面裂纹扩展规律预报的精度。

改进的疲劳裂纹扩展率模型及其参数估算方法(英文)

疲劳裂纹扩展率曲线是任何基于裂纹扩展理论的疲劳寿命预报方法的基本疲劳特性。论文作者们提出了一种改进的疲劳裂纹扩展率模型,它可以解释金属疲劳试验中观察到的各种现象。为了便于工程应用,文中也给出了如何利用除裂纹扩展试验以外的其它试验结果来估算该模型参数的方法。文中还对恒幅载荷下该模型及其参数估算方法对HTS-A钢的适用性进行了分析,分析结果将为利用该模型预报由HTS-A型钢制成的海洋结构物的疲劳寿命提供基础。

Q460C钢缺口板的疲劳裂纹萌生寿命计算模型和总疲劳寿命计算

基于位错随循环加载次数的增加加速移动、聚合形成疲劳裂纹的试验事实,假设疲劳裂纹萌生速率是循环加载次数的单调递增幂函数,通过积分推导出疲劳裂纹萌生寿命计算模型。Q460C钢缺口板的疲劳试验结果显示,疲劳裂纹萌生寿命、扩展寿命和总疲劳寿命均随应力幅和名义最大应力的降低而增加,疲劳裂纹形成寿命与总疲劳寿命的比值为0.82~0.90。我国《钢结构设计标准》建议的总疲劳寿命计算式的计算误差为-17.0%~+84.9%。以椭球面断裂模型作为裂尖开裂判据,对Q460C钢缺口板的疲劳裂纹扩展进行了理论计算和数值模拟。以疲劳裂纹萌生处应变溢出时裂纹长度0.05 mm作为疲劳裂纹萌生临界尺寸,标定的Q460C钢缺口板的疲劳裂纹萌生寿命计算式、扩展寿命计算式和总疲劳寿命计算式的计算误差分别为-15.0%~-1.2%、-12.4%~+2.8%和-12.1%~-1.4%。

基于改进自适应趋近率的永磁同步电机无模型控制系统设计

传统的速度环控制在永磁同步电机负载突变时,会引起转速波动较大从而影响电机运行的稳定性,为了抑制转速波动,并实现电机转速的快速响应,采用了一种基于扩展滑模扰动观测器的改进型趋近率控制方法;新算法通过引入含有外部扰动的电机运动方程,并将扰动进行扩展分析,建立了扰动观测器的数学模型,增加扰动观测的准确性;为了减少滑模控制器的抖振,提高响应速度,提出了一种改进型的滑模趋近率,新控制器采用增益自适应、幂次自适应的方法,实现动态调节控制增益的目的;将新算法分别与基于传统指数趋近律的无模型算法和PI控制策略进行仿真对比,仿真结果验证了所提控制策略在提高系统响应速度以及抗干扰能力方面的优异性能。

酸雨环境下Q420B钢材腐蚀疲劳裂纹扩展试验与模型研究

为研究特高压输电塔所用Q420B结构钢在酸雨环境下的腐蚀疲劳裂纹扩展行为,开展了Q420B的CT试样在人工酸雨喷雾腐蚀环境下的腐蚀疲劳试验。试验采用背面应变法监测裂纹长度,研究喷雾方式、pH值、应力比对裂纹扩展速率的影响。试验现象及断口分析表明,CT试样的断裂类型主要为穿晶疲劳断裂,腐蚀疲劳机制主要为阳极溶解机制。对于各工况,基于Paris模型推导了考虑模型参数随机性及da/dN数据波动性的腐蚀疲劳裂纹扩展速率P-da/dN-ΔK模型。结果表明,腐蚀疲劳裂纹扩展速率的离散性随应力强度因子幅的增大呈先减小后增大的趋势,该现象与Paris模型参数的线性相关性有关;相较于浸泡腐蚀,喷雾腐蚀下的裂纹扩展阶段存在明显的裂纹闭合效应,导致在ΔK较低阶段喷雾工况裂纹扩展速率均低于纯疲劳工况;腐蚀液pH值越低,裂纹扩展速率曲线斜率越大,但其初始速率也越低;应力比方面,增大应力比能明显缓解裂纹闭合效应,且裂纹扩展速率随应力比的升高而升高。

某镍基粉末合金高温疲劳裂纹扩展行为与模型研究

针对涡轮盘用某镍基粉末高温合金材料,开展了高温疲劳裂纹扩展试验,分析了环境温度、载荷比、紧凑拉伸(CT)试件厚度等因素对于疲劳裂纹扩展行为的影响规律,建立和评估了考虑影响因素的裂纹扩展速率模型。结果表明:随着温度的升高和载荷比的增大,疲劳裂纹扩展速率会显著增大,而CT试件厚度对于扩展速率的影响较小;通过观测断口截面发现,在500~700℃内,疲劳裂纹的扩展机制与温度之间没有显著关联,而在700℃下,高载荷比的条件使得裂纹扩展断面更为粗糙;提出了一种温度相关的疲劳裂纹扩展速率模型,可较好地描述不同温度下的疲劳裂纹扩展曲线;对比了Walker模型和Newman裂纹闭合模型的应用效果,发现Walker模型在描述不同载荷比下的裂纹扩展速率方面更为优秀。

一种疲劳长裂纹扩展率新模型

基于LZ50车轴裂纹扩展数据分析,提出描述长裂纹扩展的新模型。新模型包含门槛值和断裂韧度,并考虑循环比效应,可有效描述门槛值附近和高应力强度因子范围长裂纹的扩展行为及其趋于断裂点的行为；该模型克服了现有Paris-Erdogan模型不能描述门槛值附近和高应力强度因子范围,Forman-Kearney-Engle模型不能描述门槛值附近,Elber方程不能描述高应力强度因子范围疲劳裂纹扩展规律的缺陷。

基于Elber型方程的随机疲劳长裂纹扩展概率模型

拓展有效应力强度因子范围的概念为因子范围与门槛值之差,导出了Elber型方程并建立了他的随机疲劳长裂纹扩展概率模型。同时考虑了数据分散性规律和试样数量两方面对概率的影响。模型分别由存活概率、置信度和联合存活概率—置信度下的裂纹扩展率—应力强度因子范围关系曲线组成。在因子范围服从对数正态分布下,应用线性回归技术和极大似然法建立了模型参数的测定方法。通过对LZ50车轴钢试验数据的分析,考察了模型的效果,揭示出模型对数据的拟合精度良好,能合理地预测中高应力强度因子范围的长裂纹稳定扩展和低应力强度因子范围趋于门槛值的概率规律。

随机疲劳长裂纹扩展率的新概率模型

为实现在全应力强度因子范围合理进行结构安全性分析,提出了概全门槛值和断裂韧度的随机疲劳长裂纹扩展率的新概率模型。考虑了平均应力效应,以给定应力强度因子下裂纹扩展率服从对数正态分布为基础,考虑数据分散性规律和试样数量对概率评价的影响,将存活概率和置信度相融合,由线性回归结合极大似然原理确定概率模型的参数。通过对铁道车辆LZ50车轴钢试验数据的分析表明,模型从数学上良好描述了疲劳长裂纹从裂纹启裂到瞬时断裂的整个随机过程,比较Paris、Elber和Forman模型拟合试验数据表明,该模型相关系数最大,拟合效果最好。

结构疲劳长裂纹扩展速率新模型研究

比较现有疲劳长裂纹扩展速率模型的特点和不足,基于裂纹扩展钝化复锐理论推导,提出了广义钝化复锐疲劳长裂纹扩展速率模型(GPLFCPRM),并推导获得了疲劳长裂纹扩展速率模型通项.该模型克服了现有疲劳长裂纹扩展速率模型的缺点,能有效地描述自门槛值到断裂点全过程的裂纹扩展规律,具有明确的物理含义,且可反映材料的强度特性、断裂特性和热处理状态等因素对疲劳裂纹扩展速率的影响.通过LZ50钢、A533-B、AlZnMgCu0.5和0.5Cr0.5Mo0.25V钢疲劳裂纹扩展速率试验,结果反映该模型与试验结果十分吻合,且具有更广的通用性和应用推广价值.

不同应力比下疲劳裂纹扩展速率的改进公式

研究金属材料在不同应力比下的疲劳裂纹扩展速率描述公式,包括Ⅰ型、Ⅲ型和Ⅰ-Ⅲ型三种模式。基于现有疲劳裂纹扩展速率公式和对试验数据进行归纳,建立了以J积分变化幅ΔJ为控制参量的疲劳裂纹扩展速率改进公式。在公式中,通过引入应力比修正系数M将不同应力比R下的数据ΔJ等效到R=0时对应的ΔJeq0,并给出了M^R的经验关系式。最后,通过对文献中Ⅰ型、Ⅲ型和Ⅰ-Ⅲ型的疲劳裂纹扩展速率试验数据进行分析发现,本文建立的改进公式可以对不同应力比下的试验数据进行较好的描述。

纤维金属层板疲劳裂纹扩展速率与寿命预测的唯象模型

以纤维金属层板疲劳裂纹稳定扩展的特性为基础，提出了纤维金属层板等效裂纹长度（ｌ０）的概念，导出了纤维金属层板疲劳过程中的有效应力强度因子方程，建立了纤维金属层板等幅疲劳下疲劳裂纹扩展速率与寿命预测的唯象模型。它不仅适用于中心裂纹，同时也适用于边缘裂纹。用唯象模型对２／１ＧＬＡＲＥ和３／２ＧＬＡＲＥ层板的ＣＣＴ试样和ＳＥＮＴ试样进行了寿命预测，并与试验结果进行了对比。当裂纹从锯切裂纹尖端扩展到试样宽度的８０％时，对于ＧＬＡＲＥ层板的ＣＣＴ试样，２／１ＧＬＡＲＥ层板的预测寿命与实测寿命之比为１．０５，３／２ＧＬＡＲＥ层板的预测寿命与实测寿命之比为１．０７。对于ＧＬＡＲＥ层板的ＳＥＮＴ试样，预测寿命与实测寿命之比为１．１２。唯象模型不仅预测结果可靠，精度高，而且都是解析运算，非常方便。唯象模型的提出使得纤维金属层板的疲劳裂纹扩展速率和寿命的预测变得跟金属材料一样方便，因此具有重要的工程应用价值。

3种疲劳裂纹扩展速率模型比较

Paris模型、Walker模型和Forman模型是常用的3种疲劳裂纹扩展速率模型,为比较3种模型在不同应力比下,拟合疲劳裂纹稳定扩展阶段速率的异同,采用标准紧凑拉伸试样进行疲劳裂纹扩展速率试验,由试验数据拟合得到3种模型公式的参数,并进行对比分析。结果表明,3种模型拟合精度均随应力比增大逐渐降低;对于单一应力比下的疲劳裂纹扩展,3种模型均具有较好的精度,但对于不同应力比下的疲劳裂纹扩展,Walker模型的拟合结果随应力比增大略有失真;而Forman模型的拟合结果随应力比增大有较大失真。

基于改进McEvily模型的深海结构表面裂纹疲劳扩展模拟(英文)

文章基于改进的McEvily模型预测深海结构表面裂纹的疲劳寿命。采用ANSYS软件进行三维有限元分析来计算表面裂纹的应力强度因子,裂纹增量和对应的载荷循环数通过改进的McEvily模型计算得到。使用APDL语言对ANSYS软件进行二次开发,实现了应力强度因子计算、有限元网格的自动更新和裂纹疲劳整个扩展过程的自动模拟。以深海结构典型节点试件为例子,阐述了表面裂纹疲劳扩展数值分析方法,包括改进的McEvily模型参数的确定、应力强度因子的有限元计算和疲劳裂纹扩展的数值模拟,得出结构的疲劳寿命和表面裂纹的扩展形貌变化。最后,将计算结果与其他扩展速率模型预测的结果以及试验结果进行对比,结果表明改进的McEvily模型的疲劳寿命预测结果相比其他扩展速率模型更为接近试验结果,说明基于改进的McEvily模型的疲劳裂纹扩展数值模拟是合理的、可行的。

07MnNiCrMoVDR钢在硫化氢溶液中的腐蚀疲劳裂纹扩展速率数学模型(英文)

本文通过试验研究07MnNiCrMoVDR钢在硫化氢水溶液中的腐蚀疲劳裂纹扩展特性,根据试验数据,利用神经网络,以介质浓度、载荷频率、应力比作为输入节点,裂纹扩展速率系数C作为输出节点,训练该网络预测不同条件下的裂纹扩展速率。根据由神经网络所预测的数据找出这三个影响因素在裂纹扩展速率系数C中的关系表达式,从而回归出07MnNiCrMoVDR钢在硫化氢水溶液中的腐蚀疲劳裂纹扩展速率数学模型。

07MnNiCrMoVDR在硫化氢溶液中的腐蚀疲劳裂纹扩展速率数学模型

以空气中腐蚀疲劳裂纹扩展速率为基准,引入环境加速因子Cenv,且把Cenv与Cair合并为C,用于表达07MnNiCrMoVDR钢在硫化氢溶液中的腐蚀疲劳裂纹扩展速率。利用Matlab中的神经网络工具箱,以介质浓度、载荷频率、应力比作为输入节点,C作为输出节点,训练该网络预测不同条件下的裂纹扩展速率。根据训练完毕神经网络预测不同条件下的C,利用Original找出这三个影响因素在裂纹扩展速率系数C中的关系表达式,从而由Matlab中的统计工具箱回归出07MnNiCrMoVDR钢在硫化氢溶液中的腐蚀疲劳裂纹扩展速率数学模型。