大型集装箱船舱口角隅高低周复合疲劳寿命预报方法研究

大型集装箱船遭遇高海况时,舱口角隅处应力水平可能接近甚至超过材料屈服极限,因此循环极端载荷作用下的舱口角隅疲劳损伤可视为高低周复合疲劳问题。本文采用一种高低周复合疲劳寿命预报模型对某大型集装箱船的舱口角隅进行疲劳寿命预报。首先建立全船有限元模型和水动力模型,给出不同浪向角及波浪频率下舱口角隅节点的热点应力传递函数,然后采用北大西洋波浪散布图得到节点的应力范围,对其中超过80%屈服应力的海况,通过Neuber公式求出角隅节点的弹塑性循环应力应变幅,最后采用复合疲劳模型计算得到舱口角隅的高低周复合疲劳寿命。与采用谱分析方法预报的疲劳寿命进行对比后的结果显示,高海况导致舱口角隅发生的低周疲劳损伤不可忽略,应采用高低周复合疲劳评估方法对其进行寿命预报。本文工作可为船体结构疲劳寿命的准确预报提供参考。

一种预测高低周复合疲劳寿命的新方法

发动机、内燃机、汽轮机转子等高温设备在工作中常受到高低周复合疲劳载荷的作用。在现有寿命模型基础上,提出了一种通过应变比-寿命比曲线预测高低周复合疲劳寿命的新方法。对三类不同材料的实验数据进行分析,表明了此方法具有一定的通用性。对寿命估算值与实验结果进行对比分析,估算值均在误差允许范围内,可以较好地预测高温设备材料的高低周复合疲劳寿命。

航空发动机叶片高低周复合疲劳寿命预测与损伤机理研究

针对航空发动机叶片在服役期间承受交变载荷极易发生疲劳损伤和高低周复合疲劳寿命预测问题,开展了叶片损伤机理分析和基于高低周复合载荷的耦合疲劳寿命预测模型研究。首先,分析了航空发动机叶片的损伤机理和失效模式,并依据叶片振动特性进行了模态分析。其次,在Zhu模型的基础上,提出了一种基于改进-Zhu模型的高低周复合疲劳寿命预测模型。最后,将Miner模型、Zhu模型和所提出改进-Zhu模型的疲劳寿命预测结果与高低周复合疲劳试验数据进行对比。结果表明:所提出的改进-Zhu模型计算精度在1.5倍误差范围内,预测结果相对较小,验证了其可行性和有效性。研究工作为可靠预测航空发动机叶片的工作寿命和疲劳强度设计提供了一定参考。

考虑载荷相互作用的高低周复合疲劳寿命预测模型

通过研究高周疲劳与低周疲劳的损伤等效关系,在Manson-Halford模型的基础上引入影响因子以反映高周疲劳与低周疲劳载荷之间相互作用的影响,建立了一种修正的高低周复合疲劳寿命预测模型,通过TC11钛合金、LY12-CZ铝合金、45钢和GH4033镍基合金4种材料的试验数据对该修正模型进行验证。结果表明:修正模型对TC11钛合金、LY12-CZ铝合金和GH4033镍基合金疲劳寿命的预测结果均在2倍误差范围内,对45钢疲劳寿命的预测结果有78%左右的数据处于2倍误差范围内;建立的修正模型有较高的预测精度,适用于高低周复合疲劳寿命预测。

某型发动机风扇叶片高低周复合疲劳特性的研究

为了对某型发动机风扇叶片进行定寿工作,通过高低周复合疲劳试验,并对试验结果进行了统计分析,得到了该型叶片的疲劳特性曲线(S-N曲线、P-S-N曲线)。结果表明:当高周疲劳应力大于61.51 MPa时,该型叶片的S-N曲线满足二次函数规律,当小于61.51 MPa时,其高周次数达到了107以上,超过了一般金属材料的疲劳极限;在双对数坐标下,该叶片的S-N曲线为一次函数,满足线性规律;疲劳寿命在高应力水平下分散性较小,在低应力水平下分散性较大;该型叶片中值寿命(50%存活率)约为安全寿命(99.99%存活率)的2.5至5倍。

FGH95合金高低周复合疲劳行为

为了解高周振动应力对FGH95合金低周疲劳过程的影响,对FGH95合金进行高低周复合疲劳和低周疲劳试验。试验结果表明:在低周疲劳过程中叠加的高周振动明显降低了FGH95合金的低周疲劳寿命;且叠加的高周振动应力越大,FGH95合金的低周疲劳寿命降低程度越大。宏观和体视显微镜下分析的试样断口形貌显示:断口呈平坦区和倾斜区两大部分,表面粗糙,有明显的反光小平面。最后,着重用扫描电子显微镜(SEM)分析疲劳裂纹扩展不同阶段的形貌特征,并对不同试验条件下的相同裂纹扩展阶段的裂缝形貌特征进行比较。

高低周复合疲劳工况下汽轮机转子钢寿命模型

高周疲劳和低周疲劳交互作用产生的高低周复合疲劳会引起汽轮机转子钢10Cr-1Mo-1V的快速失效。研究了高低周复合载荷下10Cr-1Mo-1V钢的应变-寿命特性,通过分析应变比-寿命比的关系,提出一种研究高低周复合疲劳寿命的新方法。通过引入四种材料的高低周复合疲劳实验数据,用于不同工况下模型的验证与分析。结果表明,所提出的模型与实验值较好地吻合,对于承受复合疲劳工况的材料,其适用性较强,所需参数较少。

TC11材料高低周复合疲劳试验研究

对航空发动机风扇/压气机叶片用TC11材料的高低周复合疲劳(L-HCCF)进行了试验研究。通过对试验结果的统计分析,获得了TC11材料高低周复合疲劳特性;同时,运用TC11材料高低周复合疲劳线性累积损伤评估方法,对TC11材料的疲劳寿命进行了评估并与试验结果进行了对比,预测结果与试验结果基本吻合。本文研究可为在役发动机风扇/压气机叶片排故、延寿和在研及新一代航空发动机风扇/压气机叶片设计提供相关技术支撑。

基于连续损伤力学的高低周复合疲劳损伤

基于连续损伤力学(CDM)的经典损伤理论和不可逆热力学原理,分别对高周和低周疲劳载荷下的损伤演化模型进行了研究,进而推导出一个新的高低周复合疲劳损伤模型;将该模型编写为UMAT耦合到ABAQUS有限元分析软件中,实现了对缺口材料高低周复合疲劳损伤的模拟及裂纹萌生位置和萌生寿命的预测;同时研究了不同的高低周循环比对裂纹萌生寿命的影响.结果表明,裂纹容易在缺口根部应力集中处萌生;该模型考虑了高低周循环的交互作用,模拟计算结果更符合实际情况;同时通过研究发现高的循环比会使裂纹的萌生加速.

2024-T3铝合金孔板高低周复合疲劳试验研究

对2034-T3铝合金孔板试件进行了高低周复合疲劳性能试验,研究高低周循环次数比对复合疲劳寿命的影响,建立了高低周循环次数和应力幅比与高低周复合疲劳寿命之间的关系式,并对现有损伤累积模型的适用性进行了分析讨论。试验和分析结果表明:随着高低周循环次数增大,复合疲劳寿命有显著的降低,复合疲劳寿命与高低周循环次数比呈对数线性关系。现有的累积损伤准则对试验结果的预测偏于危险,非线性累积损伤准则优于线性累积损伤准则。

高低周复合载荷下的钛合金疲劳寿命估算

航空发动机转子叶片等在工作中常受到高低周复合载荷的作用。对TC11钛合金试件进行低周、高周和高低周复合疲劳性能试验,得到不同载荷类型下的中值寿命。在试验结果的基础上,运用线性累积、非线性累积损伤理论,对高低周复合疲劳试验的寿命进行估算,并对结果进行分析讨论。结果表明:高低周复合循环降低了TC11的抗疲劳性能;线性累积损伤准则对试验结果的预测偏于危险,非线性累积损伤准则的预测效果较好。

合金材料高低周复合疲劳寿命研究

就外物损伤对钛合金材料(TC4和TC11)高低周复合疲劳寿命的影响进行了试验研究.分别采用摆锤法和空气炮法模拟了叶片外物损伤,对比分析了两类损伤缺口的特征.进行了无损伤试样、损伤试样的疲劳试验,对比分析了外物损伤对钛合金疲劳寿命的影响.结果表明:摆锤冲击试验法模拟的损伤缺乏代表性,空气炮发射弹丸法模拟的损伤更接近真实情况;外物损伤导致钛合金高低周复合疲劳寿命严重下降,空气炮发射弹丸法模拟的损伤使钛合金的疲劳寿命从105下降到104量级.

基于最差件等寿命曲线的桨轴高低周复合疲劳寿命分析

以Goodman曲线为基础,构造了考虑应力集中系数和疲劳极限强度分散系数影响的最差件等寿命曲线,然后基于最差件等寿命曲线建立了桨轴高低周复合疲劳寿命分析方法,用于预测桨轴的安全寿命,并给出了预测方法的适用范围为低周103～105次循环。采用此方法对两种载荷下的某型航空发动机桨轴进行了高低周复合疲劳寿命预测,并与试验结果进行了对比。结果表明:基于最差件等寿命曲线的桨轴高低周复合疲劳寿命分析方法成功预测一组安全寿命低于低周1 000次循环的载荷,且另一组载荷预测结果也与试验结果相吻合,预测方法是可行的。

一种预测汽轮机转子钢高低周复合疲劳寿命的新方法

汽轮机转子等高溫设备在工作中常受到高低周复合疲劳栽荷的作用。本文在现有寿命模型基础上,提出了一种通过应变比-寿命比曲线预测高低周复合疲劳寿命的新方法,通过对三类不同材料的实验数据进行分析,表明了此方法具有一定的通用性。对寿命估算值与实验结果进行对比分析,估算值均在误差允许范围内,说明此方法可以较好地预测汽轮机转子钢的高低周复合疲劳寿命。

TC11材料高低周疲劳裂纹萌生与扩展特性研究

通过对航空发动机叶片用TC11材料在高低周复合载荷下进行裂纹扩展试验,研究了TC11材料高低周复合疲劳裂纹扩展规律,得到了高低周载荷条件下的裂纹稳态扩展曲线及断口特征。其结果可对风扇/压气机叶片抗高低周复合载荷下的裂纹扩展能力进行分析和评估,为下一代先进航空发动机设计提供技术支撑。

某型发动机风扇叶片复合疲劳试验加载系统的分析与测试

某型发动机风扇工作叶片高低周复合疲劳试验中,如何有效地将低周疲劳和高周疲劳进行复合并加载到叶片的考核位置是试验的难点之一。通过对叶片的模态分析与测试,确定了叶片的固有频率并验证了叶片模型的准确性;在叶片模型基础上与轮盘构成组合系统,通过静力分析确定了叶片的危险考核部位,并通过振动分析确定了高周疲劳加载的频率;设计了试验夹具并与叶片构成组合系统,通过仿真计算并结合调试试验及断口分析论证,高低周复合载荷成功地施加到了叶片的考核部位。结果表明:该型发动机风扇三级工作叶片在不同转速载荷下的等效应力分布规律相似,危险部位为叶片耳环处,最大应力达到503 MPa;该型叶片轮盘组合系统存在两个危险共振转速,即n=9 890.92 r/min和n=10 979.8 r/min,共振频率为f=1 318.92 Hz、f=1 439.65 Hz;叶片断裂位置存在疲劳弧线和疲劳条带等典型的高低周复合疲劳断口特征。

涡轮盘疲劳寿命可靠性设计仿真及优化策略

涡轮盘是航空发动机主要部件之一,一旦发生破坏性故障将导致严重的后果。在充分考虑影响涡轮盘高低周复合疲劳寿命因素不确定性基础上,以MATLAB为平台,设计了涡轮盘高低周复合疲劳寿命可靠性优化设计的联合仿真平台。利用寿命函数和寿命可靠性分析极限状态函数中的共性需求,提出了在优化迭代的过程中自适应构建寿命函数Kriging模型和寿命可靠性极限状态面Kriging模型时共用训练样本点的策略。同时,提出了一种构建寿命函数Kriging模型的学习函数。使用所搭建的疲劳寿命可靠性优化设计平台,完成了某型涡轮盘盘心、榫槽以及涡轮盘系统高低周复合疲劳寿命的可靠性优化设计。结果表明,最优设计方案的局部最大应力显著降低,均值寿命大幅提高,并满足可靠性约束。

高低周复合载荷对TC11钛合金疲劳性能的影响

为了解高周振动应力对TC11钛合金疲劳性能的影响,进行了TC11的低周疲劳、高周疲劳、以及高低周复合疲劳试验.试验结果表明:高低周复合循环降低了TC11钛合金的抗疲劳性能;复合循环载荷中,高周平均应力水平σmajor和应力比Rminor对高低周复合寿命有较大的影响.采用扫描电子显微镜(SEM)比较分析了不同类型载荷下的断口宏观和微观形貌特征,高低周复合疲劳断口与高周断口有较明显的区别,高低周复合载荷中的低周循环引起的较大滑移是引起疲劳寿命降低的主要原因.

高温复杂疲劳工况下10%Cr钢寿命特性

汽轮机转子等高温零部件在工作环境下经常受到高低周复合疲劳载荷,高低周疲劳交互作用时,机组寿命会大幅下降。为评价高温复杂疲劳工况下转子钢的寿命特性,分别进行了低周疲劳实验、高周疲劳实验及高低周复合疲劳实验,并分析了各实验工况下的寿命特性。通过对应变与寿命的关系进行分析,发现高低周复合疲劳应变幅比与寿命比在双对数坐标下呈幂函数关系,并以此提出一种研究高低周复合疲劳寿命的新方法。

涡轮叶片复合疲劳特性曲线及其规律的试验

为了解高周振动载荷对于涡轮叶片高温疲劳性能的影响,对某型涡轮叶片进行高低周复合疲劳试验.试验结果表明,在低周载荷基础上叠加高频振动载荷,显著缩短了叶片的疲劳寿命;复合疲劳的分散性很大,且不存在疲劳极限,当叶片高周循环次数超过107时,继续试验叶片仍会发生断裂;在双对数坐标下,叶片的振动应力与其高周循环寿命成线性关系,即复合疲劳特性曲线(应力-寿命曲线、概率-应力-寿命曲线)服从双对数线性规律,进一步研究发现该规律对于高温合金材料的复合疲劳特性曲线具有普遍性.