Analysis Approach to Durability Based on Material Initial Fatigue Quality and S-N Curve

Based on probabilistic fracture mechanics approach, a new concept of material initial fatigue quality （MIFQ） is developed. Then, the relation between S-N curve and crack propagation curve is studied. From the study, a new durability analysis method is presented. In this method, S-N curve is used to determine crack growth rate under constant amplitude loading and evaluate the effects of different factors on durability and then the structural durability is analyzed. The tests and analyses indicate that this method has lower dependence on testing, and higher accuracy, reliability and generality and is convenient for application.

飞机典型结构当量初始缺陷尺寸分布模型研究

利用结构耐久性分析技术可以在保证飞机结构可靠性的同时,有效提高飞机结构的经济性。应用结构耐久性分析技术,对某型飞机飞行载荷谱作用下一种7B04-T651高强铝合金典型疲劳结构的原始疲劳质量(Initial fatigue qualit,IFQ)进行了研究。开展了3级不同应力水平下的飞行载荷谱疲劳试验研究;利用极大似然估计法处理基于三参数Weibull分布的裂纹萌生时间分布的参数估计问题,利用蒙特卡罗法对比验证了该方法的正确性,提出使用对数样本矩处理当量初始缺陷尺寸(Equivalent initial flaw size,EIFS)分布以获取通用当量初始缺陷尺寸分布模型;建立描述该典型结构的原始疲劳质量模型,验证其当量初始缺陷尺寸小于许用规定的0.125mm;最后通过对该典型结构的原始疲劳质量分析,验证了通用化方法的正确性和实用性,并且建立了结构在不同应力区、不同指定裂纹尺寸和不同可靠度下的寿命估计模型。

飞机典型连接结构原始疲劳质量评估

在谱载下对单片通孔试件及三种不同长度的双片紧固孔试件进行了耐久性试验研究。考虑螺栓干涉量、螺栓紧固力等特征,通过三维有限元仿真得到了结构的薄弱部位。根据结构的耐久性试验分析结果,提出了一种用于结构原始疲劳质量(IFQ)评估的"裂纹超越数概率比较法",并建立了各组试件的控制应力水平曲线与之对比。结果表明,本文提出的结构IFQ评估方法有效,双片紧固孔试件的IFQ高于单片通孔试件,且随结构长度的减小而提高。

30CrMnSiNi2A钢原始疲劳质量的评估

采用断口定量分析方法，在断口宏、微观特征研究的基础上用断口微观细节特征实测出了疲劳裂纹扩展曲线，并用符合裂纹扩展特性的力学模型对实测曲线进行了拟合计算，反推出了飞机用结构材料３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ的原始疲劳质量（ＩＦＱ）。

飞机结构紧固孔耐久性符合性检查与评估

为确保结构原始疲劳质量获得有效控制,本文研究了制造过程中紧固孔表征的飞机机体结构耐久性,通过符合性检查与评估判断出厂交付使用的飞机机体结构是否拥有设计所预期的耐久性。在总结设计与分析过程中的专家知识和计算方法基础上,完成了相应的检查和评估专家系统。经过试验分析检验,该系统可以很好地对现行飞机结构细节进行耐久性符合性检查与评估,在保证飞机机体结构安全性的基础上,有效提高其经济性。

TC4钛合金两种显微组织的紧固孔原始疲劳质量研究

利用标识载荷试验技术,将具有两种不同显微组织TC4钛合金分别在三种应力水平下进行疲劳试验,在光学显微镜下对疲劳裂纹扩展断口进行观察,获得裂纹扩展过程中不同循环周次下的裂纹长度,以此建立了表征TC4钛合金原始疲劳质量的通用EIFS分布。研究结果显示钛合金双态组织比片层组织具有更好的原始疲劳质量,双态组织具有较高的疲劳裂纹萌生寿命及裂纹扩展系数。此外还分析了双态组织中添加标识载荷的疲劳断口形貌,认为其疲劳断口标识线的形成是由于加入标识载荷后,应力强度因子范围发生变化,导致疲劳裂纹扩展过程中断裂模式发生改变,从而在断口上形成了可判读的标识线。

原始疲劳质量模型描述方法改进

提出了用神经网络插值代替拉氏插值计算裂纹形成时间(TTCI)值,用极大似然估计代替均秩估计法估计分布参数的方法.考虑到仅对一组TTCI值进行参数估计具有较大的随机性,文中对每种参考裂纹尺寸对应的TTCI值均进行极大似然估计,得出多组TTCI分布参数;然后利用不同参考裂纹尺寸对应的TTCI分布参数之间的关系确定结构细节的当量初始缺陷尺寸分布参数.对某零件的疲劳实验及其原始疲劳质量分析证明了该方法的可行性和合理性.

紧固孔原始疲劳质量评定及符合性检查

给出了一种由当量初始裂纹尺寸 ( EIFS)表征紧固孔原始疲劳质量的方法 ,该 EIFS是基于确定性裂纹扩展方法反推等幅载荷的断口金相数据得到 ,并以此方法建立紧固孔原始疲劳质量评定及符合性检查判据。最后 ,以 LY1 2 - CZ铝合金钻孔工艺为例进行了紧固孔原始疲劳质量评定及符合性检查。

滚子链链板表面加工质量系数的研究

从滚子链链板孔常用的加工方法入手，研究了表面加工质量对滚子链疲劳强度的影响通过对板孔加工方法不同的系列试样的成组疲劳试验，得到了相应于板孔不同加工方法试样的Ｒ－Ｓ－Ｎ曲线。进而求出了不同预期寿命时表面加工质量系数的分布，并从微观上分析与研究了典型工艺下的疲劳裂纹萌生及扩展速率。

通用EIFS分布确定方法改进研究

基于概率断裂力学的基本假设和原理,提出一种改进的通用EIFS分布确定方法。新方法用小裂纹扩展曲线计算多种参考裂纹尺寸水平下的TTCI值,并对其进行极大似然估计。然后利用约束最小二乘法确定不同应力下的裂纹扩展参数和通用EIFS分布上限。在此基础上,根据分布参数的通用性条件确定通用EIFS分布参数。与改进前的方法相比,新方法充分利用分布函数和裂纹扩展提供的信息,提高参数估计的合理性和可靠性。对某零件的原始疲劳质量分析证明改进方法是可行的,便于工程应用。

疲劳损伤定量分析与失效评估研究进展

本文对疲劳损伤定量分析的理论和模型、断口定量分析疲劳寿命、疲劳应力以及对工程构件安全使用具有重要意义的基于损伤容限设计思想的原始疲劳质量与失效评估技术的研究现状进行了分析。通过断口定量反推疲劳应力和疲劳寿命应用最多的是Paris公式,疲劳裂纹萌生寿命目前还无法直接从断口上反推出来,一般通过人为设定a_0值的方法计算疲劳裂纹萌生寿命。相对而言,国外对在役构件的剩余寿命评估方面开展了较多的工作。本文分析比较了国内外在疲劳损伤定量分析与失效评估研究的侧重点和思路的异同,并指出了加强失效分析在产品设计、生产、使用和维护各个环节的应用力度及开展失效评估技术研究是失效分析领域发展的两个重要方向。

冷挤压对钛合金紧固结构件的耐久性影响研究

对Ti-6Al-4V钛合金冷挤压紧固结构件进行试验和理论研究。由断口金相数据得到选定裂纹参考尺寸下的裂纹萌生时间(TTCI)分布,基于裂纹扩展方程,通过改变参考裂纹尺寸和当量初始缺陷尺寸(EIFS)的上界进行优化得到表征原始疲劳质量的当量初始缺陷尺寸(EIFS)分布,确定当量初始缺陷尺寸额定值。以概率断裂力学耐久性分析方法得到可靠度95%和选定经济修理极限下的经济修理寿命,从而为冷挤压工艺用于结构紧固件强化的经济修理提供理论依据。

冶金质量对铝合金疲劳性能影响的探讨

评述铝合金疲劳裂纹萌生研究现状及机制,阐述了典型铝合金及其合金元素对疲劳性能的影响规律,非金属夹杂、气孔、疏松及粗大第二相等对疲劳裂纹萌生的影响,得出通过控制合金元素含量、减少杂质、提高洁净度、改善变质效果和改进热处理等可有效改善铝合金的断裂韧性。

飞机机翼壁板紧固孔细节原始疲劳质量评估

为验证某飞机机翼下壁板紧固孔细节原始疲劳质量是否满足设计要求,建立了评估其原始疲劳质量的有效方法。首先完成了螺栓连接试验件的疲劳试验及疲劳断口判读,建立了3种不同应力水平下的裂纹萌生时间分布,并在此基础上获得通用当量初始缺陷尺寸分布;提出一种可靠度为95%的细节疲劳寿命预测方法,基于经济寿命准则,实现对紧固孔细节的原始疲劳质量评估;最后使用此方法与基于满足双95%要求的EIFS值对飞机机翼下壁板紧固孔原始疲劳质量进行了评估,结果表明,该飞机机翼下壁板紧固孔细节原始疲劳质量满足设计要求。

基于应力严重系数和概率断裂力学的耐久性分析方法

将应力严重系数和概率断裂力学结合起来,提出一种新的连接件耐久性分析方法。在新方法中,假设结构细节的原始疲劳质量不受形状、工艺参数和装配状态等影响,而只与材料的缺陷如气孔、夹杂等有关。在此基础上,建立应力严重系数与裂纹扩展速率的关系以确定不同连接件的裂纹扩展寿命。由于结构的原始疲劳质量只和材料缺陷相关,而与结构形式等无关,故新方法不需要大量的试验数据,可节省大量的费用和时间。对某连接件的试验和分析验证了该方法的可行性和准确性。

飞机机翼缘条紧固孔细节原始疲劳质量评估方法

为了对飞机机翼缘条紧固孔细节原始疲劳质量进行评估,本文首先对飞机机翼缘条结构中常用的BXXX铝合金紧固孔试件分别开展了高、中、低3种应力水平下的疲劳试验,通过断口判读和反推得到3组关于裂纹长度a和疲劳寿命t的(a−t)数据,在此基础上应用当量初始缺陷尺寸(EIFS)控制方程对每个试件的EIFS值进行计算并初步评估,验证了在不同应力水平下紧固孔结构细节的EIFS无显著性差异;得到了紧固孔结构细节的裂纹萌生时间(TTCI)分布,在指定应力水平下对紧固孔结构细节95%置信水平下的经济寿命进行预测,并与设计寿命进行对比,提出了一种不同超越概率P下的结构细节当量初始缺陷尺寸模型,基于给定5%的裂纹超越概率,对结构细节的通用EIFS分布进行评估.通过以上对飞机机翼缘条紧固孔细节原始疲劳质量的三重评估,得到综合评估结果:飞机机翼缘条紧固孔细节原始疲劳质量满足要求.

制孔工艺对紧固孔疲劳性能的影响

分别在传统制孔工艺和Winslow制孔工艺下,对7050T7351铝合金材料的双犬骨连接件疲劳试验结果进行对比与可靠性分析;基于当量初始裂纹(EIFS)理论和符合性判据,计算不同制孔工艺下的原始疲劳质量;采用体视显微镜和扫描电镜对疲劳断口进行分析;对Winslow制孔工艺强化机理进行了定性的探讨。研究表明:改进工艺后,紧固孔的疲劳寿命均有所提高,分散性降低,疲劳强度增加;紧固孔的当量初始裂纹小于0.125 mm,符合抗疲劳耐久性设计的要求;裂纹形核的位置不变,裂纹扩展区疲劳条带变窄。

机轮轮毂模拟疲劳寿命分析

本文利用模拟试件对机轮轮毂危险细节的制造质量和几何条件进行模拟,并在使危险细节局部应力梯度尽可能与构件一致的条件下确定模拟件加载方式;由模拟件疲劳试验结果和极值分布理论建立了描述构件初始疲劳质量的TTCI 分布,并由此直接导出了构件在任一时刻的裂纹尺寸分布和裂纹超过数概率,为进一步进行耐久性经济寿命分析提供了基础.最后,用实物验证试验的结果说明了上述方法的合理性.

Ti-6Al-4V钛合金紧固孔件原始疲劳质量评定和符合性检查

对Ti-6Al-4V钛合金紧固孔试样进行了疲劳裂纹扩展试验。通过在随机载荷谱中添加标识谱,使断口上形成可判读的疲劳条带,采用疲劳条带与体视显微镜相结合的方法获得试样的随机载荷谱作用下孔边自然萌生裂纹扩展的a-N数据,并用SEM对疲劳断口观察。由TTCI反推EIFS方法,建立了描述孔边裂纹细节原始疲劳质量(IFQ)的当量初始缺陷尺寸(EIFS)分布,并进行了紧固孔符合性检查,满足控制要求。

某歼击机机身主承力框的耐久性分析

对已服役的某歼击机最重要的关键件——机身主承力框进行了耐久性分析,通过修理前后的原始疲劳质量评估与经济寿命预测,给出了合理的修理大纲,使该构件的经济寿命达到用户提出的使用寿命要求。