New approach based on continuum damage mechanics with simple parameter identification to fretting fatigue life prediction

A new continuum damage mechanics model for fretting fatigue life prediction is established. In this model, the damage evolution rate is described by two kinds of quantities. One is associated with the cyclic stress characteristics obtained by the finite element （FE） analysis, and the other is associated with the material fatigue property identified from the fatigue test data of standard specimens. The wear is modeled by the energy wear law to simulate the contact geometry evolution. A two-dimensional （2D） plane strain FE implementation of the damage mechanics model and the energy wear model is presented in the platform of ABAQUS to simulate the evolutions of the fatigue damage and the wear scar. The effect of the specimen thickness is also investigated. The predicted results of the crack initiation site and the fretting fatigue life agree well with available experimental data. Comparisons are made with the critical plane Smith- Watson-Topper （SWT） method.

交变双轴加载下钛合金微动磨损的仿真及试验研究

微动磨损是导致机械连接结构失效的主要形式之一。目前大多数研究都在恒定法向接触载荷工况下开展。然而实际工程中,广泛存在着可变法向载荷和轴向载荷的多轴加载工况,导致目前恒定法向载荷下微动磨损的研究结果不能很好地解释多轴交变加载工况下的微动磨损行为。因此,以钛合金的微动磨损为例,进行了交变双轴加载下微动磨损的仿真分析和试验测试研究。首先,建立了受循环交变双轴加载作用下的微动磨损模型;然后,对不同法向载荷幅值、位移载荷幅值、双轴加载相位差下的微动磨损行为进行了仿真,并根据Q-P曲线分析方法对这些复杂微动情况下的微动磨损机制进行了讨论;最后,在双轴加载的微动磨损试验机上进行了双轴微动磨损试验,验证了该有限元模型磨损形貌的合理性。研究结果表明:交变法向载荷的磨损形貌不同于恒定法向载荷的磨损形貌,交变下法向载荷均值与恒定法向载荷保持不变,交变法向载荷下的磨损深度及宽度均大于恒定法向载荷下的磨损深度及宽度。位移幅值和相位差一定,随着法向载荷幅值的增大,磨损宽度和深度均增加,磨损形貌由“W”型转变为“W+V”型;法向载荷幅值和相位差一定,磨损宽度和深度均随位移幅值的增大而增大;法向载荷幅值和位移幅值一定,改变双轴加载相位差,0°相位差最大磨损深度出现在接触后缘,180°相位差最大磨损深度出现在接触前缘,90°和270°相位差的前、后缘磨损深度极大值接近。

微动损伤的研究综述

论述了微动损伤的概念及对其研究的必要性。对微动损伤研究的两个主要部分即微动损伤的基础研究和防护方法的发展过程进行了论述，尤其对当前的研究现状及所取得的成果做了重点阐述，并说明了一些尚待研究的问题。从微动机理研究、微动件结构参数控制、微动疲劳寿命估算、工业应用、防护等几个方面概述了微动损伤研究的发展趋势。

抗微动损伤的表面工程设计

针对内燃机车16V280ZJ型柴油机连杆的微动损伤,在失效分析和接触力学分析的基础上,进行了表面工程技术可行性方案的比较,确定了固体润滑涂层的表面处理方案。研究采用了极图法,对粘接MoS2、粘接石墨、粘接PTFE和电刷镀Pb/Ni等4种涂层的性能和微动特性进行了定量比较,结果表明,粘接MoS2涂层具有最佳的抗微动损伤特性。实际应用表明,经表面工程设计选择的涂层显著提高了连杆部件的使用寿命。

渐开线花键副微动磨损疲劳寿命预估

为准确预估渐开线花键副微动磨损疲劳寿命,在假设微动磨损与微动疲劳共同作用的情况下,对某型机主减速器花键副的微动损伤机理进行研究.分析国内外现有的微动疲劳预测方法,在传统SWT法预估疲劳寿命的基础上,忽略疲劳发生的位置和方向,给出花键副的损伤累积计算方法,在给定工况下预估航空花键副微动磨损疲劳寿命.结果表明:花键副微动作用过程中,微动磨损与微动疲劳互相竞争互相抑制,最终导致花键副在两种微动模式共同作用下发生疲劳失效;花键副的疲劳寿命随着SWT值的增大而减小.提出的损伤累积模型能较准确地反映微动磨损对微动疲劳的作用,为花键副的设计和维修提供了数值参考,也为进一步研究考虑齿侧间隙时的花键副微动磨损疲劳寿命预估提供了依据.

ZL702A铝合金构件微动疲劳寿命预测研究

目的探讨ZL702A铝合金的微动损伤机理,寻找适合的微动疲劳寿命预估模型。方法以ZL702A铝合金为研究对象,设计方足桥-试件微动模拟件进行微动疲劳实验,用4XC-PC金相显微镜观察断裂试件表面的磨损形貌,探讨微动损伤机理。建立方足桥-试件有限元模型,编程计算剪应变幅、法向正应力、相对滑移距离等微动特征参数,分别运用FS、KBM、Mc Diarmid以及Ruiz参数预测ZL702A铝合金微动疲劳寿命。结果疲劳裂纹主要在局部塑性区成核,剪切应变可以加速裂纹核的形成,疲劳裂纹增长是裂纹尖端剪切带不断聚合的过程,裂纹面上的法向应力/应变使这种聚合加速。法向载荷保持不变,随着最大轴向力的增大,微动损伤增大。4种微动疲劳寿命预估模型的结果表明,微动损伤在试件接触区边缘最大,容易萌生微动裂纹,与实验值一致。微动疲劳寿命预测结果表明,Ruiz参数预测结果与实验结果误差在2倍公差带因子范围内,最接近实验值。结论微动磨损区分为粘着区、混合区、滑移区,在混合区边界上最容易发生塑性变形,萌生微动疲劳裂纹,用Ruiz参数预测ZL702A铝合金的微动疲劳寿命是可行的。

考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测研究

微动疲劳是矿井提升钢丝绳主要失效形式之一,在钢丝微动疲劳过程中,微动磨损严重影响钢丝微动疲劳裂纹扩展特性,进而制约钢丝微动疲劳断裂机制,故开展考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测研究至关重要.运用自制钢丝微动疲劳试验机开展钢丝微动疲劳试验和拉伸断裂试验,通过高速度数码显微系统揭示微动疲劳过程中钢丝微动磨损演化、裂纹萌生和扩展及断裂特性,基于摩擦学和断裂力学理论,运用有限元法、循环迭代法和虚拟裂纹闭合技术建立了考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测模型,并进行试验验证.结果表明:采用微动疲劳过程稳定阶段磨损系数预测钢丝微动磨损演化可保证预测正确性,微动疲劳过程中钢丝主要为Ⅰ型裂纹扩展模式,考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测值和试验值吻合较好,验证了预测模型正确性.

微动磨损与微动疲劳寿命的计算与分析方法

微动损伤常见于工程中,可使紧固件松动,疲劳寿命减少和腐蚀增加,造成较大的安全隐患和经济损失.微动损伤的试验耗时耗力,还不宜损伤的直接观察,辅以计算模拟和分析十分必要.本文重点介绍微动磨损和微动疲劳寿命计算的一些方法和分析准则.其中,微动磨损计算主要介绍基于Archard公式,结合有限元计算的分析方法,以及相应的多层节点更新方法.对于微动疲劳寿命的计算和分析,主要介绍基于多轴疲劳临界面准则的判别准则,尤其是基于能量准则的Smith-Watson-Topper参数.重点介绍如何在微动条件下实现磨损与疲劳寿命的耦合求解,以及损伤的累积和破坏的判定.通过一个简单算例说明了微动磨损对其疲劳寿命可有很大的影响.

基于ALE法的车轮踏面磨损及疲劳性能研究

基于有限元Arbitrary Lagrangian Eulerian(ALE)方法和Archard磨损理论建立了CRH5型动车组车轮的磨损分析模型。通过静态以及稳态分析结合修型运算,获取了车轮在典型工况下的磨损规律,包括车轮踏面磨损程度和磨损量沿踏面分布的动态变化规律。基于以上工作,又对不同磨损程度的车轮进行了疲劳寿命分析,总结了在磨损过程中,车轮的疲劳损伤速率随磨损的动态规律。结果发现:车轮的疲劳损伤速率在初期时呈显著下降趋势,当磨损超过整个仿真磨损量的70%时趋于平稳。

一种新的微动疲劳极限估算方法

对微动疲劳极限的估算方法进行了评述,并提出了一种新的微动疲劳极限估算方法;与其它方法的不同之处在于它把多轴疲劳强度估算方法引入微动疲劳强度的估算之中,同时考虑了磨损损伤的影响。

世界核电设备与结构将长期面临的一个问题——微动损伤

核电设备至今仍面临许多不易解决的问题。经过对核电设备和结构部件多例事故的分析可知 ,核电设备中微动是不可避免的现象。核能工程中的相当一部分结构损伤事故与微动损伤有着直接的关系 ;在应力集中、腐蚀部位 ,微动又是许多核电设备提前损伤失效的直接原因。微动损伤使得许多核电设备随着堆龄的增加损伤失效事例越来越多 ,研究和分析核电设备结构中的微动损伤实属必要 。

基于塑性应变能的钢支撑疲劳损伤评估方法

在罕遇地震下,框架-中心支撑结构中的钢支撑常因局部屈曲位置的低周疲劳开裂而过早退出工作.在焊接工字形钢支撑低周疲劳试验研究基础上,提出了一种可用于框架-中心支撑体系非线性动力时程分析中钢支撑疲劳损伤评估的经验方法,并给出了相关步骤的算法流程.研究结果表明:以钢支撑滞回环塑性应变能为损伤参量,能实时估算在随机位移荷载下钢支撑的低周疲劳累积损伤发展,并与试验结果吻合较好.

JD-1轮轨模拟试验机转轴损伤机制分析

转轴是JD-1轮轨模拟试验机夹具的重要组成部分,在试验机运行过程中承受垂向载荷和制动扭矩的综合作用。针对轮轨模拟试验机转轴-轴承过盈配合面上出现的损伤,从宏观、微观层面分析其损伤机制。转轴和轴承内圈在试验机运行过程中发生的弹性变形量存在差异,导致转轴-轴承过盈配合面区域内出现微小幅度的往复相对运动,从而产生微动损伤。在载荷综合作用下,转轴-轴承过盈配合表面出现了严重的微动疲劳磨损和较为严重的不均匀塑性变形,靠近制动器一端的表面塑性变形不均匀程度更为严重。分析结果为转轴损伤的减缓和预防提供了参考。

基于轴向位移的钢支撑疲劳损伤评估方法

在罕遇地震下,框架-中心支撑结构中的钢支撑常因局部屈曲位置的低周疲劳开裂而过早退出工作。本文在焊接工字形钢支撑低周疲劳试验研究基础上,提出了一种可用于框架-中心支撑体系非线性动力时程分析中钢支撑疲劳损伤评估的经验方法,并给出了相关步骤的算法流程。研究结果表明:本文方法以钢支撑轴向位移为损伤参量,能实时估算在随机位移荷载下钢支撑的低周疲劳累积损伤发展,并与试验结果吻合较好。

基于CFD模型的搅拌摩擦焊接搅拌头受力分析

搅拌头作为搅拌摩擦焊接的核心部件,其工作状态与使用寿命,对焊接过程起着决定性作用,而其受力与应力值,将直接影响搅拌头的磨损和疲劳分析。建立了AA6061-T6搅拌摩擦焊接计算流体力学模型,对搅拌头附近压力场进行分析,计算搅拌头横向受力,包括轴肩表面阻力,搅拌针上压力和搅拌针底部阻力。基于得到的搅拌针上载荷分布,进一步计算出多种转速工况下搅拌针根部危险截面疲劳应力变化规律。

微动损伤机理与防护工艺研究现状与进展

微动损伤普遍存在于机械设备连接构件中,已成为工业癌症。本文介绍了构件材料的微动损伤工况以及失效机制研究进展,分析讨论了现代表面工程技术在抗微动损伤防护领域的应用,提出了抗微动损伤的研究展望。

运用损伤力学求解金属构件疲劳裂纹形成寿命的附加位移法

从损伤力学出发，建立了对金属构件疲劳裂纹形成过程进行损伤耦合的弹塑性应力分析及寿命估算的附加位移法。该方法较充分地利用了缺口构件疲劳损伤的局部性特点，其计算量远低于普通的全场数值解法。算例表明寿命的理论解与试验值基本吻合。

基于Morris法滑动磨损与接触疲劳耦合损伤寿命分析

针对线接触滑动磨损与接触疲劳耦合损伤荷载摩擦副系统,结合改进Archard磨损模型、临界平面法和虚拟裂纹扩展法,建立了一种滑动磨损与接触疲劳耦合损伤分析模型.基于Morris灵敏度分析方法,提出了耦合损伤接触疲劳灵敏度贡献比,建立了一种基于灵敏度贡献比滑动磨损与接触疲劳耦合损伤寿命预测方法.结果表明:耦合损伤寿命明显小于单一损伤寿命;接触压力、接触宽度和曲率半径对耦合灵敏度具有显著影响,接触疲劳损伤贡献比与显著影响参数基本呈线性关系;耦合损伤寿命预测结果与计算结果基本一致,验证了耦合寿命预测模型的可用性.

航空发动机材料摩擦学研究进展

机械产品中的摩擦磨损问题不可避免,且严重影响装备性能与寿命可靠性。航空发动机是飞机的心脏,针对该类复杂机械产品的摩擦磨损问题更应得到高度重视.通过材料摩擦学行为调控,可有效减轻或排除航空发动机中的摩擦磨损问题,大幅抑制发动机功能精度衰减,提高其寿命稳定性.为系统有序地开展航空发动机材料摩擦学研究,在本文中以典型三代涡扇发动机为例,按冷端至热端结构顺序,阐述进气道、风扇、中介机匣、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷口等关键部位涉及摩擦磨损部件及材料的摩擦学服役工况、主要磨损类型和磨损机制.结合发动机整机故障分析结果,有针对性的选择4种具有代表性的航发材料作为摩擦学重点研究对象,即叶片尖端与封严涂层的高速刮擦、主轴轴承滚动接触疲劳与滑擦损伤、钛合金叶片的微动损伤、动密封装置中石墨的摩擦磨损及其寿命评价台架试验.从材料摩擦学损伤演变规律、磨损机制、耐磨功能设计和表面改性等角度综述国内外研究进展,提出航发材料摩擦学研究技术路线,即从材料级摩擦磨损实验复现航发零件磨损失效特征出发,实现基于摩擦学行为调控原理获得材料耐磨减摩功能化改进,最终采用模拟工况摩擦学实验台架验证新材料摩擦磨损性能.此外,针对新一代航空发动机对材料耐磨减摩性能的更高要求,从宽温域润滑、腐蚀-磨损交互作用和新材料摩擦学数据库等方面展望航发材料摩擦学研究发展方向.

齿科植入器械微动损伤及界面强化的研究进展

种植体与骨界面发生微动疲劳、连接部件界面发生微动磨损等破坏现象是齿科植入器械的主要失效形式之一,因此减小微动、提高齿科植入器械的长期寿命成为这类器械发展的关键。本文重点阐述了种植体与骨组织界面微动疲劳损伤导致骨结合不牢固、种植体内部连接界面微动磨损导致连接松动、失效等问题的研究进展。表面改性技术在提高植入器械骨结合率、耐磨损、抗疲劳等方面发挥着关键性的作用,传统的涂层技术由于增加了界面、存在长期脱落的风险而逐渐退出了历史舞台。对目前相关领域的综述研究表明,齿科植入器械各部件的原位改性技术具有从表面到基底成分梯度渐变、长期结合力好等优点,是有效解决植入器械微动损伤的关键技术,逐渐成为了新的发展趋势。