基于运营数据的发动机压气机叶片裂纹扩展规律研究

为研究航空发动机实际服役中转子叶片在复杂载荷作用下的裂纹损伤扩展规律,基于航空发动机运营数据构建叶片的裂纹扩展寿命曲线,同时采用断裂力学理论建立裂纹扩展速率公式。以高压压气机叶片为实例,通过流固耦合方法构建压气机叶片结构的载荷模型,分别采用Paris、Walker、Newman裂纹扩展速率公式对压气机叶尖区域进行三维裂纹扩展分析。仿真结果表明,三种裂纹扩展速率公式在裂纹扩展前期预测结果与发动机运营数据裂纹扩展曲线具有一致性,可较好地描述叶片裂纹扩展规律;在裂纹稳定扩展阶段,Walker和Newman公式预测结果相对危险,Paris公式预测结果吻合度较高,并且能与厂家技术手册中关于其损伤发展控制要求相互印证。

TA17钛合金板状连接件的疲劳裂纹扩展行为研究

TA17钛合金是航空航天等工程中重要的结构材料,其疲劳裂纹扩展性能直接影响整体结构的安全性和完整性。本文基于Cr2Ni2MoV钢材紧凑拉伸试样斜裂纹疲劳裂纹扩展的试验结果,验证了ABAQUS软件XFEM模块用于分析平面应力状态下疲劳裂纹扩展的有效性,然后采用XFEM模块分析了TA17钛合金及其连接件的疲劳裂纹扩展性能。结果表明降低最大荷载、减小加载比和采用长圆孔型均可有效提高TA17钛合金连接件的疲劳寿命。采用XFEM模块可以预测连接件疲劳寿命的S-N曲线,预测TA17钛合金结构载荷增大33.3%,疲劳寿命减小为原来的1/4,可为工程疲劳设计提供参考依据。

TC4钛合金的疲劳裂纹扩展Walker公式

为了研究不同应力比下TC4钛合金疲劳裂纹扩展特性,用Warker公式来描述不同应力比下的疲劳裂纹扩展速率.按照标准试验方法,试验加载应力比分别为0.06,0.5,0.7.利用递增多项式数据处理的计算程序,绘制了铸造TC4钛合金疲劳裂纹扩展速率曲线,并对疲劳断口进行扫描分析,计算Walker公式下的材料常数.结果表明,当应力比R≥0时,疲劳裂纹扩展速率随应力比的增大而增大,表现为疲劳条带间距增大.计算得材料常数m为4.082 16,n为-0.023 91,C为6.963 04×10-7.

疲劳裂纹扩展规律Paris公式的一般修正及应用

介绍了疲劳裂纹扩展规律Paris公式及其与传统应力疲劳S-N曲线的关系,分析了计算疲劳裂纹扩展寿命的一般过程。阐述了当前Paris公式在工程中的一般修正,具体描述了不同的修正形式及其主要特征,简要介绍了Paris公式在弹塑性断裂力学和连续损伤力学中的修正及应用。各种应用实践表明,对于不同要求的工程问题要采用相应的修正形式。

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。

一种改进的Walker裂纹扩展方程

线弹性断裂力学应用于疲劳裂纹扩展分析中,裂纹扩展速率一般可分成3个阶段,其中稳定扩展的第2阶段可以用Paris规律描述。目前提出的许多反映应力比影响的裂纹扩展方程基本上可以归结为Paris规律的形式,也就是把Paris公式参数C视为应力比R的函数,很少考虑参数n随应力比变化的情况。文中提出了一种改进的Walker裂纹扩展方程及其分析方法,建立了C、n和应力比R之间的关系,很好地描述了一种有机玻璃板材和一种低碳钢板材的疲劳裂纹扩展规律。

裂纹扩展试验中Johnson公式适用性研究

为了探讨实际应用中Johnson公式的描述电位差和裂纹长度关系适用性,利用有限元软件研究了有限长中心裂纹试样和紧凑拉伸试样电位场分布随裂纹扩展的变化规律,定量分析了Johnson公式应用时的误差影响因素。结果表明,试样长宽比和电流加载点位置是影响Johnson公式适用性的主要因素。对于紧凑拉伸试样,直接应用Johnson公式误差较大,但利用有限元分析结果修正之后可以得到较好的精度。

采用Paris公式描述缺口表面裂纹扩展速率的条件

通过两种材料的缺口表面裂纹扩展规律的实验研究和非线性有限元的数值计算,指出只有当缺口裂纹冲出缺口的非线性应力场,由线弹性断裂力学所确定的应力强度因子成为裂纹扩展的驱动力时,Paris 公式方可用于表征缺口表面裂纹扩展速率.为工程应用需要,提出当 n′>0.2和表面裂纹长度2c>1mm 时,Paris 公式可以应用于描述缺口表面裂纹的扩展速率.

对裂纹扩展规律Paris公式物理本质的探讨

首先讨论了著名力学家K.Krausz和A.S.Krausz关于Paris公式物理本质研究的成果,从材料的微观结构和裂纹尖端的应力场出发,应用位错动力学理论、热激活能理论和速率过程理论对疲劳裂纹扩展规律进行了微观到宏观的探讨,最终推导出疲劳裂纹扩展速率的一个解析表示式.该式严格地定义了Paris公式的两个试验常数,赋予了Paris公式明确的物理意义,从而真实地揭示了Paris公式的物理本质,为这一经验的普遍规律奠定了理论基础.

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。

基于比例型Paris公式和逆高斯过程的金属疲劳裂纹扩展随机模型

疲劳失效是金属构件的主要失效方式之一,该文针对金属疲劳裂纹扩展过程中的不确定性,以“首次达到给定裂纹长度a的时间t(a)”为随机描述量,采用比例型Paris公式描述裂纹的平均扩展路径,建立基于逆高斯过程的单样本疲劳裂纹扩展随机模型和考虑样本异质性的裂纹扩展随机效应模型,分别采用最大似然估计法(MLE)和最大期望算法(EM)推导了单样本模型和随机效应模型的参数估计公式。最后,利用提出的裂纹扩展随机模型拟合了68个铝合金板的疲劳裂纹数据,对结果进行了拟合优度分析。结果表明:该文提出的疲劳裂纹扩展随机模型能够有效地分析和解释金属疲劳裂纹扩展过程中的不确定性。

Q345钢疲劳裂纹扩展Paris公式中参数的统计分布

针对Q345钢疲劳裂纹扩展Paris公式中两个材料参数的不确定性问题,基于恒幅载荷下Q345钢疲劳裂纹扩展速率批量试验中所获得的裂纹扩展长度与疲劳循环次数等数据,采用七点递增多项法对试验数据进行分析整理。采用最小二乘法对Paris公式进行拟合,给出该公式中两个材料参数值的随机数,并引入概率统计方法对其分布类型进行研究。结果表明,Q345钢疲劳裂纹扩展Paris公式中两个材料参数值的最佳分布类型均为正态分布,正态分布能较好地表征出Q345钢材料参数值的分布特性,为Q345钢制工程结构疲劳裂纹扩展寿命的可靠性研究提供理论参考。

基于近场动力学的齿根裂纹扩展特性研究

为优化齿根裂纹扩展问题的分析,在标准渐开线齿轮对上,基于近场动力学理论建立齿轮接触啮合断裂模型,模拟近场动力学下齿轮齿根断裂啮合过程。近场动力学理论通过空间积分的方法,避免了传统有限元在分析裂纹尖端问题时的奇异性。首先建立一对健康的渐开线齿轮模型并通过近场动力学接触理论确定齿根在啮合过程中应力最大点,从而确定裂纹起始点并预制裂纹;通过近场动力学方法可以有效避免裂纹扩展过程中不断重新划分网格的问题。然后通过基于节点位移的应力强度因子反推法得到裂纹扩展后的应力强度因子。最后依据Paris公式对齿根疲劳裂纹剩余寿命进行评估。从近场动力学裂纹扩展结果上看,近场动力学方法下裂纹扩展方向、疲劳周期与有限元中结果是一致的。该研究结果可以提供一种新的方法进行齿轮接触疲劳分析。

基于断裂力学的疲劳裂纹扩展速率公式研究

对疲劳裂纹扩展速率公式的研究已有50余年的历史,但是这些公式中均含有物理意义不明确、需由实验确定的常数,通过对三个常用公式和一个新近得到公式的分析比较,验证了新近得到公式的正确普适性、参数易求性及公式物理意义的明确性,进而可预测不同材料的疲劳裂纹扩展速率。

三参数全范围裂纹扩展公式

提出了全范围裂纹扩展公式,并通过2种材料的裂纹扩展实验,由非线性拟合方法得到了较高精度的拟合结果,从而验证了公式的正确普适性、参数易求性及公式物理意义的明确性,进而可应用到预测不同材料的疲劳裂纹扩展速率。

直升机行星架疲劳裂纹扩展寿命预测

直升机行星齿轮保持架(简称行星架)是传动系统的重要部件,其可靠性对于直升机的飞行安全至关重要。行星架疲劳裂纹故障的发生、发展受多种因素影响,其故障诊断和寿命预测都有难度。为准确预测行星架疲劳裂纹寿命,研究了其裂纹故障发生、发展规律,提出了基于对数线性的方法,将裂纹扩展过程离散化处理,采用Paris公式,定量描述裂纹扩展速率,结合Miner准则,累积其疲劳损伤过程,最终得到随裂纹长度变化的行星架剩余使用寿命数值。利用有限元软件ANSYS Workbench的疲劳寿命模块对计算得到的数值结果进行了仿真对比,验证了方法的精确性和有效性。

超高强度钢超高周循环下疲劳裂纹扩展寿命研究

以Paris裂纹扩展理论为基础,根据不同阶段裂纹扩展速率不同,将裂纹扩展分为三个阶段:低于始裂门槛值阶段、短裂纹扩展阶段和长裂纹扩展阶段。在每个阶段对Paris裂纹扩展公式分别进行积分,最后将三个阶段寿命相加,即可得到裂纹扩展总寿命。此方法所得到的裂纹扩展寿命较Paris公式略高,但是不会改变疲劳总寿命主要由疲劳裂纹萌生决定,裂纹扩展寿命远小于试验总寿命这一事实。

抽油杆表面裂纹扩展寿命可靠性分析

在拉伸载荷的作用下,以Paris公式为基础,考虑几何修正系数f与裂纹尺寸a的内在关系,结合分段数值积分方法计算抽油杆裂纹扩展寿命,并应用Monte Carlo法计算不同类型表面裂纹扩展寿命可靠度.计算结果表明,在其他条件相同情况下,把裂纹处理为受深度比、纵横比两个参数控制的椭圆裂纹比仅受深度比控制的圆弧裂纹和直裂纹适应性更强;带有环形裂纹的抽油杆最先断裂;断裂力学中将各个参数作为确定值计算得到的临界裂纹扩展寿命不够准确,可能导致部分抽油杆还未达到临界裂纹扩展寿命就发生断裂.

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。

应力比对航空高强LD2CZ铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展的影响

利用扫描电镜联合液压伺服试验机,并借助于Walker公式研究了应力比对预腐蚀不同时间航空高强LD2CZ铝合金疲劳裂纹扩展的影响,在应力比分别为0.05,0.5,0.7的条件下对预腐蚀0,15,30d的LD2CZ铝合金单边缺口板状试样进行了疲劳加载试验,得到了其疲劳裂纹扩展速率曲线,并拟合出了Walker公式中的材料常数。结果表明:裂纹扩展速率会随着应力比的增加以及腐蚀损伤的加深而增大,拟合得到的Walker公式可用来定量化地表征应力比和腐蚀损伤对疲劳裂纹扩展速率的影响。