面向数字孪生的构架裂纹扩展寿命预测建模分析方法

高速列车转向架构架裂纹扩展寿命预测对列车的可靠性和运行安全性具有重要意义。为实现基于数字孪生的构架裂纹扩展寿命预测,提出一种数据和模型融合驱动的构架裂纹扩展寿命预测建模方法。首先,基于数字孪生五维模型建立构架数字孪生模型框架;然后,构建构架裂纹扩展有限元仿真模型得出应力强度因子,并基于Paris公式构建构架裂纹扩展寿命机理模型;进而采用仿真模型和机理模型相结合的方法得出构架裂纹扩展寿命数据集;最后,基于构架裂纹扩展寿命数据集采用Kriging代理模型建立构架裂纹扩展寿命预测模型。研究结果表明该预测模型具有较高的精度和效率,能够有效支持孪生物理数据驱动的构架裂纹扩展寿命预测。     

Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹疲劳扩展门槛值

以垂直于裂纹扩展径向平面上的主应力σ1 及极径r的组合量 2πr·σ1 为主应力强度因子 σ1 ,提出主应力强度因子下的复合型裂纹初始扩展准则及扩展的静态断裂模型 ,在此基础上推导复合型裂纹的门槛值方程和裂纹面扭转角公式及裂纹扩展速率公式 ,定义复合型裂纹的理论门槛值 ,进行Ⅰ Ⅲ复合型裂纹扩展试验。试验表明 ,文中提出的疲劳裂纹扩展门槛值模型是适用的     

基于新裂纹扩展驱动力参量的焊接接头疲劳裂纹扩展的研究

传统上疲劳裂纹扩展速率以一个参量——应力强度因子幅(PARIS模型)或有效应力强度因子幅(ELBER模型)来表达。PARIS模型不能统计应力比效应和变幅加载历史。ELBER裂纹闭合模型虽被广泛应用,但确定其开闭口载荷的测量方法很多,且测量结果均存在主观性。最近研究表明,疲劳裂纹扩展不仅依赖于应力强度因子幅,还与最大应力强度因子有关。并且KUJAWSKI提出了两参量模型,该模型避开了有争议的裂纹闭合效应。基于一个载荷循环中柔度变化与裂纹尖端开闭口与弹塑性行为的关系,提出一个新的具有物理意义的两参量驱动力模型。针对Q345钢焊接接头各区域进行两种应力比R=0.1和0.5的疲劳裂纹扩展试验。使用该模型针对Q345钢焊接接头各区域的疲劳裂纹扩展数据进行验证。结果表明,提出的新模型在预测应力比对裂纹扩展速率的影响时比上述三个模型更有效。     

金属材料疲劳短裂纹萌生与扩展研究综述

系统梳理了金属材料疲劳短裂纹的定义、分类、试验方法、萌生机理及典型扩展率模型，对当前短裂纹行为研究面临的问题进行了总结与展望。研究结果表明，在萌生机理方面，材料自身的微观结构对短裂纹萌生及扩展有重要影响，短裂纹扩展至晶界处，受晶粒取向及晶界阻力影响，扩展率会下降，裂尖突破晶界束缚后，短裂纹扩展路径出现局部偏折。在扩展行为描述方面，短裂纹的扩展驱动力与承受的载荷水平、残余应力、表面处理方式、局部磨损状况等有关。扩展过程中，裂纹尖端材料在小范围内屈服而产生局部塑性区。同时，塑性尾迹区也逐渐形成，进而产生塑性诱导闭合，导致裂纹扩展门槛值降低。此外，晶体位错之间的相互作用和位错塞积会阻碍位错发展。机器学习算法作为一种先进技术手段，已在短裂纹扩展行为表征中得到应用，对提升预测精度有促进作用。随着金属材料短裂纹行为研究的进一步深入，未来可重点关注短裂纹萌生与扩展实时监测、试验影响因素控制、数据离散性分析、扩展率模型的工程应用等问题，探索建立适用于工程结构与零部件的在役长、短裂纹扩展率统一表征模型和实时监测与安全评估技术，结合先进的机器学习算法，实现对工程关键金属结构更有效、更准确的安全性评定和剩余...     

循环压载下缺口旁疲劳裂纹扩展

对承受循环压载的缺口试件的疲劳问题进行了试验和理论研究。结果表明，疲劳裂纹是在残余拉应力和循环压应力作用下萌生和扩展的，压塑性变形是裂纹萌生和扩展和扩展的必要条件。循环压载下仍存在着裂纹张开和裂纹闭合，其机理与拉伸循环下不同。以试验中采用的ＬＹ１２ＣＡ材料边缺口试件为例，提出了考虑裂纹闭合效应的扩展率计算模型，结果与试验吻合得较好。     

疲劳门槛值统一理论模型的比较及验证

针对应力比对疲劳裂纹扩展及门槛值的影响，依据裂纹闭合与裂纹扩展驱动力机制的统一思想，阐述了Zhu-Xuan模型与Kwofie-Zhu模型的建立过程，并基于25Cr2Ni2MoV转子钢焊接接头的疲劳裂纹扩展试验数据对模型进行验证。结果表明，两种模型在近门槛值区和Paris区均有良好的预测效果，其中Zhu-Xuan模型形式简单，对CrMoV钢具有普适性，预测门槛值的误差在10%以内，而Kwofie-Zhu模型预测结果更准确，但应用过程涉及参数求解，过程较复杂。研究认为，裂纹闭合与扩展驱动力机制的统一模型描述疲劳裂纹扩展行为的应力比相关性是合理可行的，且具有较好精度。     

基于非线性预测滤波算法的疲劳裂纹扩展预测

针对传统Paris疲劳裂纹扩展模型预测精度低、无法考虑裂纹扩展过程中各种不确定因素影响的问题,提出一种基于非线性预测滤波算法的疲劳裂纹扩展预测方法。使用基于Paris公式的状态空间方程表征裂纹扩展过程,采用基于Lamb波的监测技术构建观测空间方程,利用实时观测信息修正模型预测值。最后通过Q235钢试件的单边疲劳裂纹扩展实验验证了该预测方法的有效性。实验结果表明,非线性预测滤波算法在疲劳裂纹扩展预测中可以有效地修正Paris公式的预测误差,其预测精度高于扩展卡尔曼滤波和粒子滤波算法的预测精度,同时算法效率较粒子滤波算法有明显提高。     

三维应力状态下高温低周疲劳表面短裂纹实验研究及数值模拟

依据16MnR材料三维应力状态下高温低周疲劳表面短裂纹的实验分析结果，提出了一种表面随机分布短裂纹群体演化行为模型。模型考虑了材料细观组织、细观结构影响及裂纹之间的相互作用，并用该模型对16MnR材料表面疲劳短裂纹群体演化全过程进行了数值模拟分析，结果表明模拟结果与实验结果基本一致，该模型能有效地用于短裂纹的模拟。最后提出微观短裂纹萌生驱动力与扩展驱动力概念。     

填充天然橡胶材料裂纹扩展模型的建模方法

填充天然橡胶材料疲劳裂纹扩模型是指裂纹扩展速率与撕裂能峰值之间的关系,它是用于橡胶减振元件疲劳寿命预测的重要模型。在裂纹扩展试验得到的填充天然橡胶材料裂纹扩展长度与循环次数的数据中,由于橡胶的应力软化现象,试验后期的部分数据不可用。为此,建立了数据处理方法,获得有效的裂纹扩展长度与循环次数数据。基于单轴拉伸载荷下填充天然橡胶材料最大应变能密度与最大应变满足幂函数关系的假设,建立了变幅加载工况下裂纹扩展长度与循环次数的数学模型和识别其模型参数的优化方法。在建立的裂纹扩展长度与循环次数模型的基础上,建立了裂纹扩展速率与撕裂能峰值关系的模型和确定模型中参数的数值方法。利用一组哑铃型试片的疲劳寿命实测数据,对建立的裂纹扩展速率模型进行了验证,证明了所建立模型的正确性。     

疲劳裂纹扩展随机模型和动态可靠性

基于确定性裂纹扩展模型，考虑有关控制因素的随机性，建立了疲劳裂纹扩展的随机模型。模型参数可直接由常规的常幅试验和载荷的统计资料得到。     

一种疲劳长裂纹扩展率新模型

基于LZ50车轴裂纹扩展数据分析,提出描述长裂纹扩展的新模型。新模型包含门槛值和断裂韧度,并考虑循环比效应,可有效描述门槛值附近和高应力强度因子范围长裂纹的扩展行为及其趋于断裂点的行为;该模型克服了现有Paris-Erdogan模型不能描述门槛值附近和高应力强度因子范围,Forman-Kearney-Engle模型不能描述门槛值附近,Elber方程不能描述高应力强度因子范围疲劳裂纹扩展规律的缺陷。     

循环压缩应力作用下的疲劳裂纹扩展机制研究

裂纹在循环压缩载荷作用下的扩展已经被实验证实，但是由于难以进行观测因而无法准确描述，另外裂纹面在压缩载荷的作用下会出现闭合现象也增加了问题的复杂性。文中通过有限元方法，建立三种几何条件的裂纹模型，考虑裂纹面接触问题，进而对循环压缩载荷作用下的裂纹萌生扩展进行分析。结果表明，裂尖区域在循环压缩载荷作用下的残余拉伸应力是导致裂纹扩展的重要因素。同时，还对不同裂尖几何在裂纹描述的合理性方面提出一些看法。研究表明，裂纹在循环压缩载荷作用下的扩展能力是有限的、稳定的。     

高温蠕变条件下表面裂纹扩展行为分析

裂纹的存在及其扩展严重限制着高温承压部件的使用寿命，而目前对结构三维蠕变裂纹扩展行为的认识及其预测仍比较有限。以典型耐热钢P91为例，在650℃下对其开展了不同应力和不同初始裂纹尺寸的表面裂纹蠕变扩展试验，通过断面观察获得了蠕变裂纹扩展形貌演化，并采用基于多轴蠕变损伤模型的有限元法、基于蠕变裂纹尖端参量C^*的有限元法以及英国标准BS7910推荐的简化计算方法进行表面裂纹蠕变扩展分析。结果表明，基于多轴蠕变损伤模型的有限元法能够合理地描述裂纹最终轮廓并准确地预测裂纹扩展时间。相比之下，基于C^*的有限元法和BS7910简化计算方法计算的裂纹形貌预测有明显偏差，并且较依赖于紧凑拉伸试样的蠕变裂纹扩展试验数据及其拟合的参数C和q，易导致过于保守的裂纹扩展时间预测。评估了不同计算方法对于表面裂纹蠕变扩展行为的预测能力。     

分形裂纹扩展对材料疲劳行为的影响

研究了分形裂纹扩展对材料疲劳行为的影响。在实验观测的基础上建立了分形裂纹扩展模型。研究表明，分形裂纹扩展分维Ｄ是裂纹弯折角θ的函数，分形裂纹扩展在裂纹尖端由于弯折而形成“局部混合模式”和裂纹的分形长度效应均很强地影响疲劳裂纹的有效应务强度与有效裂纹扩展速率。本文的理论民一些材料的实验结果取得了很好的一致。     

高速列车齿轮副裂纹扩展寿命研究

为研究高速列车齿轮的齿根裂纹扩展特性,在有限元软件ABAQUS中建立齿轮副模型并通过静力学分析,以确定裂纹萌生位置。基于线弹性断裂力学理论,在软件ABAQUS中建立含齿根初始裂纹的斜齿轮模型,计算裂纹前缘不同节点处的应力强度因子;研究齿根裂纹自动扩展的方式及轨迹,通过计算得到齿根裂纹的扩展寿命。在此研究的基础上,探讨了载荷大小等因素对裂纹扩展寿命及轨迹的影响规律。研究表明,裂纹扩展速率先慢后快,载荷对裂纹扩展寿命的影响十分明显。     

42CrMo4钢疲劳裂纹扩展时的残余应力及其变化

对４２ＣＣｒＭｏ４钢质调质试样疲劳裂纹扩展时的表面残余应力测定表明，在裂纹尖端前方和裂纹两则一定范围生成残余应力，裂纹尖端处压应力最大。随着裂纹的扩展压应力范围增大，最大压应力增加，表明残余应力始终处于一动态再分布过程中，与裂纹尖端区域的塑性变形直接相联系。裂纹扩展时残余应力的真实分布状态，按理想模型已不能作出圆满描述。由于裂纹尖端塑性变形区较小，选用合适的Ｘ线光栅孔长测的残余应力较为真实。     

用非线性回归方法求解随机载荷作用下裂纹扩展分布函数

根据随机载荷作用下起重机主梁的疲劳实验所得疲劳裂纹扩展数据,进行相关性分析,采用非线性回归分析的方法求得裂纹的扩展分布函数。提出了一些裂纹的扩展分布属于指数分布的曲线模型,并予以分析。     

高温构件蠕变损伤与裂纹扩展预测研究新进展

精准的寿命预测是高温构件设计制造与运行维护的关键,但多轴应力和裂纹等缺陷的存在使得寿命预测的难度大大增加。综述了笔者近年来在高温蠕变损伤模型和蠕变裂纹扩展仿真方面的研究工作,主要包括:讨论了应力水平和应力状态对蠕变断裂应变的影响规律;基于幂律蠕变控制孔洞长大理论,提出了新的多轴蠕变延性模型;采用基于应变的损伤力学模型,预测了多种含缺陷结构中蠕变裂纹的扩展行为,并分析了蠕变条件下多个表面裂纹干涉、扩展及合并的全过程;发展了基于晶界孔洞化损伤机制的裂纹扩展分析方法,实现了蠕变疲劳裂纹扩展仿真和蠕变疲劳氧化裂纹扩展仿真。这些工作为建立考虑多轴应力影响的含缺陷高温构件寿命预测方法提供了有力支持。     

基于随机裂纹扩展机制的构件抗力衰减分析

构件中裂纹产生和发展的过程实质上也是抗力衰减的过程，本文首先在断裂力学的基础上确定了剩余抗力与裂纹扩展尺寸的关系，然后，在随机振动理论和裂纹扩展随机模型的基础上，分别考虑载荷的随机性，裂纹扩展的随机性以及综合考虑这两种随机性，相应地导出了裂纹扩展尺寸与剩余抗力的统计矩计算公式，最后，通过适当的假设，可以确定构件剩余抗力的分布，从而为结构的服役可靠度分布和的维修与巩固决策提供了初步的基础。     

温度/交变载荷作用下裂纹扩展模型及其参量确定

提出温度/交变载荷共同作用下含裂纹体的裂纹扩展修正模型。该模型采用两项线性叠加的形式,分别考虑交变载荷、温度对疲劳裂纹扩展和对蠕变裂纹扩展的影响。采用商用软件ABAQUS,对榫槽底部含穿透性裂纹的航空发动机涡轮盘结构进行数值模拟,得到不同工况下的应力强度因子K和蠕变裂尖控制参量Ct。为便于工程应用,通过提取远场应力获得K和Ct的通用表达式。最后给出算例,以验证所提出的裂纹扩展分析方法在工程实际中的可行性。