基于临界曲面的改进Paris定律球轴承疲劳寿命预测方法

通过场发射扫描电镜对球轴承疲劳故障点微观结构进行观察,发现裂纹总是沿着某个曲面进行萌生和扩展,扩展到一定程度后发生断裂形成近似椭圆形状的剥落点,随着球轴承的运转,不仅断裂后的裂纹发生二次剥落,而且剥落点将在新的曲面上发生多次剥落,形成断层形貌。基于此种现象,提出球轴承临界曲面的概念,假定裂纹的萌生和扩展均在此临界曲面上,将三维裂纹扩展问题转化为二维裂纹扩展问题进行分析。在临界曲面概念的基础上,提出改进的Paris疲劳寿命预测模型,将疲劳寿命分为裂纹扩展和剥落点增大两部分,分段采用改进的Paris定律预测球轴承的疲劳寿命。通过多套SKF 6205深沟球轴承疲劳寿命试验数据进行验证,与传统的SKF L-P公式预测结果相比,提出的方法能够较好地预测球轴承的疲劳寿命。

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Verhulst模型的疲劳裂纹扩展公式

根据 dadn-ΔK 的关系曲线与Verhulst模型曲线的对应关系 ,导出了基于Verhulst模型的两个疲劳裂纹扩展公式 ,对工程实例的计算表明 ,导出的公式适合 dadn-ΔK 的关系曲线的整个区域 ,精度较高。

一种含独立材料参数的Pairs公式疲劳评估概率模型

为了完善船海工程结构疲劳可靠性评估,弥补Paris公式概率模型在理论和应用上的不足,提出了一种含独立材料参数的Pairs公式的疲劳评估概率模型。基于修正的Paris公式da/dN=C0(△K/K0)^m,应用数理统计理论推导了材料参数C0和m不相关的条件,并根据不相关条件确定K0的值,得到一个材料参数相互独立的Paris公式。通过Ni-Mn-Cr-Mo钢疲劳裂纹扩展速率试验,获得了材料参数的分布特性和特征值,建立疲劳评估概率模型,并验证其正确性。应用该模型对船体板格单元的疲劳可靠性进行分析,给出了不同疲劳寿命下的失效概率。研究表明,这个含独立参数的Paris公式概率模型,避免了疲劳可靠性计算和Monte Carlo仿真中由于参数相关而出现的问题;利用该模型分析船体结构疲劳寿命,计算准确可靠,对于结构耐久性和损伤容限设计、在役安全评价等有重要的参考价值。

粗粒堆积土土水特征分析及预测方法研究

非饱和状态是影响土体力学性质的重要因素。针对粗粒堆积土土水特性研究的不足,首先介绍了一种大型非饱和粗粒堆积土三轴试验系统,在试验研究的基础上,总结了粗粒堆积土土水特征试验的方法和控制标准;然后,总结了不同细粒土含量下粗粒堆积土的SWCC变化规律;最后,在AP模型的基础上,系统分析了关键参数α的确定方法,给出了利用AP模型预测粗粒堆积土SWCC的优化方法。

金属材料疲劳裂纹扩展速率Paris模型中材料常数的相关性

金属材料疲劳裂纹扩展速率是工程应用中进行损伤容限设计、疲劳寿命评估的一项重要力学性能指标。Paris模型是疲劳裂纹扩展速率最常用的表达形式,该模型认为疲劳裂纹扩展速率随裂纹前缘应力强度因子范围的变化呈幂函数关系,涉及到两个材料常数C和m。本研究借助部分文献中的试验数据,分析合金钢、铜合金、钛合金、铝合金等不同金属材料疲劳裂纹扩展速率Paris模型中材料常数C和m的关系。结果表明:Paris模型中材料常数C和m的关系可用m=alnC+b线性模型来描述,且不受试样取样方向、焊缝位置、试验环境等因素影响;但不同应力比对该模型的线性度有一定影响,尤其是当应力比为负值时,影响较为显著;不同金属材料常数C和m线性模型的斜率并不相等,其影响因素有待于进一步系统研究。分析结果可为金属材料在工程中的疲劳设计与应用提供参考。

基于土壤物理特性扩展技术的土水特征曲线预测方法

土水特征曲线是模拟水和污染物在非饱和土中运移的重要水力特性参数。但是,土水特征曲线的直接量测方法比较困难。Arya和Paris提出了一种通过粒径分布曲线预测土水特征曲线的模型——AP模型。该模型引入一个转换系数α建立土体假想形态与真实形态之间的联系。但是,现有的推导系数α的方法一方面计算过程过于复杂,另一方面没有全面考虑土的物理特性。基于土壤物理特性扩展技术提出一种新的计算参数α的方法。为了验证新方法,从非饱和土水力特性数据库中选出不同类型的土壤样本,采用新方法分别计算出各类型土壤的参数α。然后,将计算出的参数α用于预测其他土样的土水特征曲线,从而验证新方法计算出的参数α的有效性。还将提出的新方法与其他利用AP模型预测土水特征曲线的代表性方法进行对比,结果显示该方法预测结果更加准确。

沥青混合料疲劳断裂参数唯象学关系式的建立

研究了沥青混合料的Paris疲劳断裂参数与疲劳方程回归系数之间的关系,以复合梁试件为研究对象,从表象的角度,对比分析了复合梁控制应变疲劳破坏过程与复合梁表面裂缝疲劳扩展过程中沥青混合料疲劳损伤机理,结合复合梁断裂力学有限元计算结果,建立了基于唯象学的沥青混合料Paris疲劳断裂参数与疲劳方程回归系数之间的定量关系式。

基于半圆试件的沥青混合料疲劳裂纹扩展分析

为获得沥青混合料Paris模型参数,采用半圆形试件进行3个频率的疲劳断裂试验。基于图像技术得到N-a曲线,提出采用二阶指数增长函数拟合疲劳断裂过程。试验结果表明指数增长函数具有更好的拟合效果;Paris模型参数A随着频率的增加而减小,参数n随着频率的增加而增大。

花岗岩残积土的土-水特征曲线预测

介绍了Arya-Paris预测模型的基本推导过程。选取广东肇庆地区的花岗岩残积土进行了室内颗粒筛分试验。通过压力板法,得到其土-水特征曲线。将拟合得到的土-水特征曲线与采用室内试验测得的土-水特征曲线进行了对比。研究结果表明:采用Arya-Paris模型,预测花岗岩残积土的土-水特征曲线的可靠性高。预测并得到了不同干密度下花岗岩残积土的土-水特征曲线。

高强钢疲劳裂纹扩展速率的仿真模拟分析

采用相互作用积分法通过ANSYS软件对疲劳裂纹扩展过程进行模拟,并求解应力强度因子。根据试验数据利用MATLAB确定指数模型相关参数,拟合得到指数模型疲劳裂纹扩展速率曲线。将ANSYS所得的应力强度因子与指数模型相结合得到的裂纹扩展速率曲线和指数模型拟合的速率曲线二者与Paris模型速率曲线对比。结果表明:仿真所得的应力强度因子与指数模型相结合所得疲劳裂纹扩展速率曲线比指数模型所拟合出的速率曲线更加贴近Paris模型,这对于分析同类材料的疲劳裂纹扩展速率提供了参考,对分析机械结构的疲劳可靠性具有重要意义。

基于离散损伤模型的复合材料双悬臂梁分层疲劳扩展分析

基于扩展逐层理论(Extended layerwise method,XLWM)、离散损伤模型(Discrete damage zone model,DDZM)和Peerlings损伤定律,建立了可以分析复合材料结构分层损伤疲劳扩展的疲劳渐进扩展逐层方法 (Fatigue progressive extended layerwise method,FPXLWM)。首先对HTC/6736A碳纤维双悬臂梁进行分析,施加恒定弯矩,验证该方法的正确性;然后通过计算多组Paris曲线,确定模型的疲劳参数,对HTC/6736A碳纤维双悬臂梁分层疲劳扩展机制进行深入探讨。

基于平均扩展速率的裂纹扩展模型

不同于基于线弹性断裂力学(LEFM)的经典裂纹扩展模型,基于平均扩展速率的裂纹扩展模型通过形式简单的经验公式来描述随机载荷谱下单位飞行小时的平均裂纹扩展,该模型将随机谱当作"当量常幅谱"处理,模型中仅有两个特征参数,反映了所有复杂的载荷顺序效应及其他影响。基于该模型,进一步提出速率类比法则,可基于试验谱下扩展速率对未试验谱下扩展速率进行合理预测。首先介绍了基于Frost&Dugdale公式和基于Paris公式的平均扩展速率模型的内涵及参数推导方法,然后通过典型机身框关键部位模拟件在多种随机谱下的疲劳试验数据对平均扩展速率模型和速率类比法则进行试验验证。经对比分析,推荐使用基于Paris公式的平均扩展速率模型。经验证,采用基于Paris公式的模型和速率类比法则,可实现随机载荷谱下裂纹扩展速率和寿命的高精度预测。同时,速率类比法则的准确度与理论参数推导时选取的经典LEFM模型有关。平均扩展速率模型和速率类比法则为外场飞机单机寿命监控提供了一种可靠的疲劳寿命预测方法。