飞机结构螺栓连接细节疲劳断裂失效机制与寿命分析

针对随机块谱作用下飞机典型螺栓连接接头的疲劳失效,利用显微观测技术分析宏观和微观断口形貌特征,揭示螺栓连接结构细节的失效模式和微观失效机制。结合连接结构细节的疲劳载荷谱和微观疲劳条带特征,基于Paris公式定量反推接头的疲劳裂纹扩展和萌生寿命,建立载荷循环数、飞行小时数与疲劳裂纹长度之间的演化规律。研究表明,螺栓接头的疲劳裂纹萌生于螺栓孔下部表面应力集中处,呈多源模式,断面包括裂纹源区、扩展区和瞬断区等典型疲劳特征;寿命反推表明,两段函数式能够合理表征全寿命周期内疲劳裂纹扩展长度与载荷循环次数和飞行时间之间的演化规律;疲劳裂纹扩展和萌生寿命分别为3147.7 h、615.4 h,连接接头的设计方案与工艺尚需改进以满足安全寿命设计要求。

复杂环境中Q420qD高性能钢角焊缝十字接头疲劳性能试验研究

目的研究腐蚀与火灾两环境因素对Q420qD高性能钢角焊缝十字接头疲劳性能的影响。方法进行了三种状况下的十字接头疲劳试验,建立95%存活率S-N曲线,并与现行规范进行比较,对其疲劳特性及疲劳寿命给予评价。结果在95%存活率下,十字接头在仅腐蚀处理和腐蚀与火灾处理时的疲劳极限值分别比无处理时的疲劳极限值低24.85%和17.41%。腐蚀后,疲劳断口裂纹源数量增多;受600℃火灾温度作用后,韧窝尺寸相对更大。结论腐蚀会降低十字接头的疲劳性能,且当火灾温度达到600℃时,火灾温度会提高十字接头的疲劳性能。循环次数高于20万次以上时,EN规范、GBJ规范和GB规范设计曲线分别能较好预估无处理、仅腐蚀处理和腐蚀与火灾处理时的角焊缝十字接头疲劳寿命,且均具有足够的安全储备。腐蚀会增加断口裂纹源数量,600℃火灾温度强化了材料的塑性,且瞬断前断口形貌特征和疲劳位移变化规律皆与疲劳损伤曲线相吻合。

有限滑动螺栓连接装配式混凝土剪力墙抗震性能试验研究

介绍了一种新型装配式混凝土剪力墙结构,其预制剪力墙之间的水平接缝采用高强螺栓和T形钢框进行连接,竖向接缝采用有限滑动螺栓连接件及钢柱进行连接.对2个装配式剪力墙试件进行拟静力试验,探究了有限滑动螺栓连接件滑动距离对剪力墙破坏特征、滞回性能、承载能力、耗能能力、延性及刚度退化等抗震性能的影响.结果表明:该新型装配式剪力墙有效地实现了三阶段工作机制,滞回曲线饱满,耗能能力较强,延性系数大于6.5,整体抗震性能良好;长孔有限滑动螺栓连接剪力墙的累积总耗能和延性系数分别较短孔有限滑动螺栓连接剪力墙高20.4%和50.7%,但其峰值荷载较后者低27.7%,而且后者具有较高的后期刚度.

加载制度对螺栓球节点组合试件低周疲劳性能的影响

为了研究加载制度不同对螺栓球节点组合试件低周疲劳性能的影响,采用4种加载制度对8个相同试件进行轴向往复加载低周疲劳试验,研究螺栓球节点在不同加载制度下的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、累积耗能以及承载力退化规律。结果表明:在不同加载制度下,螺栓球节点组合试件的破坏形态基本相同,破坏发生在中间螺栓球节点处,经历了弯曲失稳、高强螺栓产生裂纹、裂纹扩展直到最终发生断裂等过程,破坏螺栓有颈缩现象,所有螺栓的螺纹丝扣均有较严重变形与磨损,超低周疲劳寿命很短;加载制度对试件超低周疲劳性能影响显著;试件的滞回曲线为捏拢类型、不饱满、不对称、耗能能力较小;不同加载制度的试件骨架曲线无论受拉还是受压均基本重合,因损伤积累过程不同断裂点会有所不同;螺栓球节点的抗弯刚度很弱,在所连接的杆件弯曲时会诱发螺栓的折断,引起结构的连续破坏。

钢管混凝土柱H型钢梁全螺栓连接节点抗震性能的有限元分析

对6个不同参数的全螺栓隔板贯通节点的抗震性能进行有限元分析,研究了H型钢翼缘螺栓数量对梁柱节点抗震性能的影响。参照已有试验数据,获得柱端低周往复荷载的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线,并推导出隔板翼缘滑移阶段梁端弯矩计算公式。结果表明:翼缘螺栓为7列或9列时,SA系列隔板和SE系列梁端首先屈服,翼缘螺栓为5列时,螺栓首先剪切破坏;滑移阶段(刚度下降)柱端荷载与翼缘螺栓数量成正比。增加螺栓可减轻节点刚度下降程度;理论公式可用于计算刚度下降时梁端弯矩。

风电机组用新型紧固连接技术疲劳性能试验研究

文章对风电机组用新型连接技术环槽铆钉连接技术进行了介绍,并就环槽铆钉的牙型结构、受力模拟分析、冲击功特性、轴向载荷下疲劳试验等与高强螺栓进行了单钉实验对比,实验结果表明在单钉情况下环槽铆钉的疲劳性能明显优于高强螺栓;通过多钉的疲劳性能节点实验,验证了在多钉连接的节点中,环槽铆钉连接的节点的疲劳性能不低于高强螺栓连接,说明了环槽铆钉在风力发电机组节点连接中的适用性,为环槽铆钉连接技术在风电领域的推广使用提供了理论依据。

飞行器套接螺栓定频振动疲劳失效分析

采用单自由度振动系统构建定频激励作用下的飞行器结构振动模型,利用有限元分析获取飞行器结构的一阶弯曲固有频率,求解稳态位移响应的二阶导数,获得的各级定频激励在结构一阶弯曲固有频率处加速度响应的共振放大趋势与试验现象一致。利用结构加速度响应放大系数结合定频激励频次,编制疲劳载荷谱;运用材料力学基本原理建立套接端面螺栓载荷分配关系,以及螺栓头根部应力简化计算公式;获得螺栓断裂部位交变应力,并利用Miner线性累积损伤模型,获得的螺栓疲劳寿命与螺栓快速失效现象吻合。采用所提方法指导结构开展优化设计,实现了长寿命指标。

Q460D高强钢及其焊缝连接疲劳性能试验研究

在疲劳荷载作用下钢结构焊缝区易发生疲劳断裂,通过Q460D高强钢及其焊缝连接的疲劳性能试验研究,结合试验数据,拟合了Smax-N曲线预测其疲劳寿命,根据疲劳损伤理论分析了疲劳破坏程度,并通过断口形貌揭示了疲劳裂纹扩展规律。研究结果表明：Q460D母材具有较高的疲劳抗力;对接焊缝接头Smax-N的95%保证率曲线与ANSI/AISC 360-10的疲劳设计曲线吻合较好;GB 50017—2003的设计曲线能较好预估循环次数大于40万次以上十字接头的疲劳寿命。损伤指标能够较好地表征疲劳破坏过程中构件内部状态的变化,缺口系数越大,损伤发展越快。瞬断前裂纹扩展规律与损伤发展一致,随着损伤发展疲劳条带间距逐渐变大。

螺栓装配多高层钢结构梁柱连接抗震性能研究

对三个不同参数螺栓连接的多高层钢结构装配节点的抗震性能进行试验和有限元分析,获得以梁端荷载-位移表征的滞回曲线、骨架曲线、延性性能、转动能力、刚度退化曲线等,分析了法兰螺栓和盖板螺栓对试件受力性能的影响。试验和有限元分析结果表明:通过调整盖板螺栓数量和规格,可以实现梁柱刚性连接和变刚度连接,变刚度连接时,可实现多遇地震作用下不滑移,设防地震和罕遇地震作用下利用盖板与梁翼缘相对滑移耗散地震能量;通过分析螺栓接触面的滑移,认为盖板与梁翼缘滑移构造提高了梁端的变形能力,延性以及耗能能力,实现了摩擦耗能,可以用于抗震设防区结构中。

层合板螺栓连接结构疲劳寿命预测

为了准确预测复合材料连接结构损伤的产生和扩展,基于单向板疲劳性能预测层合板螺栓连接结构疲劳寿命。用T300/BMP-316单向板试验数据对正则化疲劳寿命与剩余强度的参数进行拟合;在复合材料基体主控失效判据基础上增加纤维失效和分层失效判据,改进基于断裂韧性的失效准则判定损伤的产生和扩展;采用二级载荷疲劳寿命等效实现损伤的非线性累积,再对相应的损伤进行材料性能退化。预测结果与试验对比表明:对不同几何参数层合板连接结构的对数寿命预测与试验误差在5%以内,对不同应力水平下层合板连接结构的对数寿命预测与试验误差在10%以内,最终破坏模式及损伤区域的预测与试验结果吻合良好。

高强度桥梁钢焊接接头疲劳性能的研究

利用高频疲劳试验机对高强度桥梁钢焊接接头测定了应力比R>0条件下的应力-循环次数(S-N)曲线,并对疲劳断口进行观察,系统分析疲劳裂纹的形成、扩展以及瞬断过程。结果表明,高强度桥梁钢焊接接头在R>0条件下的疲劳极限为470MPa,稍低于焊接接头的屈服强度,应力幅σ与循环次数N的关系为lgN=36.9-13.7438lgσ;在较高应力幅下的疲劳裂纹起源于试样表面的某种缺陷,在较低加载应力幅下的疲劳裂纹起源于大尺寸的夹杂物;疲劳扩展区断口微观形貌为疲劳辉纹和微坑,在微坑中可以观察到第二相粒子,局部区域可以观察到二次裂纹;瞬断区断口形貌具有典型的韧窝特征。

钢桥面板纵肋双面焊构造疲劳裂纹扩展特性研究

正交异性钢桥面板纵肋构造细节疲劳危害严重,修复困难,传统单面焊构造疲劳抗力不足是导致该部位疲劳开裂频发的主要原因。采用双面焊构造可望显著提高该构造细节的疲劳抗力,而初始焊接缺陷是该类构造细节疲劳抗力的关键影响因素。以双面焊构造为研究对象,基于线弹性断裂力学理论,建立多裂纹扩展模拟方法,通过多裂纹扩展试验验证该方法的可行性;在此基础上,对焊根处存在单一和多个初始缺陷条件下构造细节疲劳裂纹扩展特性进行研究。结果表明:外侧焊根单裂纹、内侧焊根单裂纹与焊根多裂纹扩展模式均为Ⅰ型开裂主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹扩展模式;多裂纹扩展特性并不显著,多裂纹在扩展初期由于临近裂纹等效应力强度因子幅值的迅速降低而转变为单一裂纹,此后其扩展规律与外侧焊根单裂纹扩展规律基本一致;3种裂纹在扩展初期裂纹形状比变化规律存在差异,但随着扩展深度的增加,等效应力强度因子幅值下降段变化规律基本一致,裂纹扩展达到一定深度后均呈扁平状且随扩展深度增加扁平状趋势更加显著;外侧焊根处的单一缺陷是控制钢桥面板纵肋双面焊构造疲劳抗力的主要缺陷,制造时应采取有效措施避免这类缺陷。

某型飞机外翼下壁板连接件疲劳试验失效分析

通过对某型飞机外翼下壁板与肋典型连接厚件疲劳试验的破坏件进行断口金相分析和试验特征分析发现,在多种应力综合作用下,处于三向应力状态下的螺栓孔内壁形成疲劳源,最终发生疲劳断裂,且在出现裂纹之后,裂纹扩展寿命很短。

某型飞机连接件疲劳试验连接螺栓头失效分析

对某型飞机连接件疲劳试验厚板试件进行受载分析并对典型的脱落螺栓头失效件进行了金相分析,通过试验提出提供更大刚度支持,设计了专门复合夹具,解决了失效问题。研究结果为拉剪搭接形式的航空连接结构件的失效预防提供了试验支持,同时对于厚板连接件的疲劳试验方案的改进具有指导意义。

螺栓球与钢管组配试件的超低周损伤性能试验研究

空间网格结构的杆件及节点遭受灾难地震时易因材料损伤累积而发生超低周疲劳破坏.通过6组12个螺栓球节点的圆钢管试件在轴向循环荷载作用下的拟静力试验,研究了计及节点影响的钢管单元在两种加载制度下的破坏形态、滞回曲线、耗能能力、截面类椭圆化的形成与发展等.试验表明:试件裂纹萌生于杆件中部凹陷区域,少次循环后因损伤累积发生超低周疲劳破坏;类椭圆化最严重的截面位于杆件中部,因类椭圆化发展有限,其耗能能力受限;随着节点抗弯刚度的增大,截面类椭圆化程度、累积损伤均增大,但导致开口断裂提前、总耗能减少.以试验数据为基础,建立了截面类椭圆化与损伤模型的相关公式,为震后螺栓球网格结构杆件承载力评估提供参考.

对接螺栓断裂与滑丝的原因分析

分析了对接螺栓发生断裂与滑丝的因素，进而提出提高对接螺栓疲劳性能的工艺措施。