焊接结构焊缝疲劳寿命的灵敏度分析

焊接结构的疲劳寿命对整体结构的安全可靠性起着至关重要的作用,影响焊接疲劳寿命的因素很多,利用灵敏度分析来确定各参数对焊接疲劳寿命的影响是一项调整、优化设计方案的重要手段.本文基于结构应力法,对焊接结构的疲劳寿命进行了灵敏度分析,建立了结构应力、疲劳寿命对设计参数的灵敏度方程,计算结果与全局差分法进行了比较,文中算例验证了本文灵敏度分析的正确性,为进一步对焊接结构疲劳寿命进行优化设计提供了理论基础和技术支持.     

基于修正的局部应力应变法估算连接件疲劳寿命

飞机机体结构疲劳裂纹的萌生与扩展几乎都发生在紧固件连接处,预测结构连接件的疲劳寿命具有重要意义.为了准确计算连接件疲劳寿命,提出了一种修正的局部应力应变法,该方法首先采用应力严重系数法和修正Neuber法分析连接件高应力区的应力、应变,然后利用Manson-Coffin方程计算疲劳寿命,此外考虑到在中、高周疲劳里表面加工和尺寸因素的影响是不能忽略的,对应变-寿命曲线的弹性段作了修正以使其同时适用于高、低周疲劳寿命的估算.以搭接件为算例进行疲劳寿命计算,并使用MTS Landmark试验机对搭接件进行疲劳试验.结果表明,采用此方法估算的连接件疲劳寿命与试验结果相比误差小于16％,证明了此方法的有效性.     

薄壁圆管空间结构的热疲劳可靠性分析

针对薄壁圆管的空间结构,分析其在交变热载荷下的疲劳可靠性问题。为同时考虑由截面平均温度和截面温差造成的疲劳损伤,提出了综合利用剩余强度和疲劳累积损伤模型的分析方法。首先根据疲劳累积损伤相等原理,将截面温差造成的多级扰动应力载荷作用频次等效为平均温度下的常幅应力载荷作用次数,从而将两者产生的热应力载荷统一为一常幅载荷,再利用剩余强度模型基于动态应力-强度干涉理论对疲劳可靠度进行分析,得到了结构在综合考虑两种热疲劳状态下的动态可靠度。本方法可避免直接利用疲劳累积损伤理论临界损伤值难以确定的问题,且能体现金属疲劳损伤的真实情况。最后以哈勃望远镜为例,分析了其主梁随疲劳热载荷循环作用下的动态可靠度,得出了一些有意义的结论。     

基于等效结构应力法的铸钢分叉节点环形对接焊缝的疲劳分析

为了掌握铸钢分叉节点与构件连接时焊缝的疲劳性能,利用等效结构应力法对铸钢分叉节点的环形对接焊缝进行了疲劳分析。通过等效结构应力场和缺口应力场确定网格不敏感结构应力,并综合考虑裂纹扩展、缺口应力和疲劳寿命等影响因素,实现等效结构应力的转化,再结合疲劳设计主S-N曲线对焊缝的疲劳寿命进行计算;在ABAQUS静力分析的基础上,利用基于等效结构应力法原理而开发的有限元分析软件FE-SAFE/VERITY,对铸钢分叉节点环形对接焊缝的疲劳寿命进行了分析。研究结果表明:铸钢分叉节点主管端部的环形对接焊缝最危险处的循环次数为105.711;等效结构应力法具有网格不敏感性,利用等效结构应力法能够较好地预测铸钢分叉节点环形对接焊缝的疲劳寿命。     

应变倍增器研制及应用

设计了一种结构独特、机械放大率高的应变倍增器,从而使工程结构表面应变放大到疲劳寿命计门槛值以上,满足了大型工程结构长寿命、低应力工作特点的寿命检测要求。该元件采用了弓形弹性元件与硅橡胶预应力组合结构,它具有简单紧凑、刚度低、可靠性好,使用方便的特点。并可同时利用其上安装的疲劳寿命计进行倍增系数标定和疲劳寿命检测。静载试验和理论分析表明,这种应变倍增器具有良好的线性响应和重复稳定性。疲劳试验研究表明,在疲劳寿命计工作寿命内,器件无疲劳破坏情况,且其疲劳响应性能可用已有的标定数据放大相应的倍增系数得到,能满足各种大型工程结构疲劳损伤监测的要求。     

枪炮中杆形击针的应力分析与寿命估算

本文针对枪炮中杆形击针的疲劳破断问题,应用弹性应力波理论和有限疲劳寿命分析方法相结合,分析计算了击针中的应力,并对其疲劳寿命进行了估算.实例结果表明本文方法是有效的.     

高应力比循环下微动疲劳裂纹萌生位置的预测分析

对于微动疲劳问题,循环应力比的大小会影响试件应力状态及分布,从而影响疲劳裂纹的萌生位置.本文通过对一类微动疲劳问题进行有限元法分析,模拟疲劳实验过程,并采用最大应力变化幅△σθmax作为指标预测了不同应力比下疲劳裂纹的萌生位置.数值分析显示,在应力比不是很大时,试件与微动接触头的边缘存在接触,并在此处产生较大的应力集中,容易萌生裂纹;而在应力比足够高时,微动接触头端部与试件呈恒张开状态,△σθmax及裂纹萌生发生在距初始接触区边缘一定距离处.疲劳裂纹萌生位置的理论预测结果与相关试验的疲劳裂纹发生位置比较一致.     

基于损伤力学的复杂航空构件疲劳寿命预估

为提高复杂航空构件疲劳寿命的分析精度,降低对试验的依赖程度,本文基于考虑局部应力状态的损伤力学理论,利用USDFLD子程序将损伤控制方程嵌入ABAQUS中,对航空挡块结构的疲劳寿命进行了预估仿真试验,实现了评估复杂构件裂纹萌生寿命的损伤力学-有限元分析方法,并与名义应力法的分析结果进行了对比。发现对于本次试验的预估,损伤力学法和名义应力法计算寿命与试验平均寿命的相对误差分别为6.9%和20%。因此,对于复杂结构形式,损伤力学法具有更高的精度,可以大大减少疲劳试验数量。     

钢构件应力集中区低周疲劳分析及实验研究

针对两个具有应力集中区的特定钢构件的低周疲劳问题进行理论分析和实验研究。文中提出了一套低周疲劳分析的相关近似方法 :由材料静力参数估算其疲劳参数 ,并利用实验数据加以修正 ,获得了循环应力 -应变曲线和应变 -疲劳寿命曲线 ;进而把非线性有限元法和局部应力应变分析结合在一起计算疲劳寿命。理论结果和实验结果作了比较 ,从而证明本文提出的分析方法是行之有效的。     

基于结构应力的焊接接头多轴高周疲劳寿命估算

本文对承受弯扭组合载荷下的焊接接头危险点焊趾处进行了疲劳应力分析。结合结构应力考察了在比例载荷和非比例载荷下焊趾处临界面上的应力分量;建立了基于结构应力和修改的Wohler曲线法的临界面上多轴疲劳寿命估算方法;采用该方法对某管板焊接接头进行了多轴估算,将评定结果与文献中的疲劳试验数据做了比较,同包括欧洲钢结构规范3在内的其他的多轴疲劳评定方法相比,本文提出的多轴寿命估算结果最好,而且该方法具有网格划分不敏感性。     

含类焊接裂纹十字接头的疲劳特性

为探讨含类焊接裂纹结构的疲劳性能,设计了部分熔透焊接接头的拉一拉疲劳试验,并进行了有限元分析,研究了不同裂纹尺寸下接头的疲劳强度、应力集中系数、应力强度因子范围和疲劳寿命的变化规律.结果表明,当未熔透尺寸2a/T＜0.5时,疲劳性能无明显减弱;而当未熔透尺寸2a/T＞0.5时,则接头的抗疲劳性能显著降低.     

基于静强度分布参数的复合材料剩余强度及寿命预测

为探讨剩余强度及疲劳寿命与初始静强度分布参数之间的关系,构建基于初始静强度分布参数的剩余强度和疲劳寿命计算模型。在模型构建过程中未涉及复合材料结构的层数、铺层厚度和铺层方向,适应性强。模型参数可通过静力试验和剩余强度试验获得,试验成本相对疲劳试验较低。剩余强度和疲劳寿命与初始静强度变异系数及其分布参数有关,当初始静强度服从威布尔分布时,疲劳寿命亦服从威布尔分布,可为开展疲劳可靠性提供借鉴和参考。算例表明,基于建立的模型,剩余强度计算结果最大误差为-1.58%,疲劳寿命与试验数据吻合较好。     

Frequency-dependent random fatigue of panel-type structures made of ceramic matrix composites

The panel-type structures used in aerospace engineering can be subjected to severe highfrequency acoustic loadings in service. This paper evaluates the frequency-dependent random fatigue of panel-type structures made of ceramic matrix composites(CMCs) under acoustic loadings. Firstly, the high-frequency random responses from the broadband random excitation will result in more stress cycles in a deinite period of time. The probability density distributions of stress amplitudes will be different in different frequency bandwidths, though the peak stress estimations are identical. Secondly, the fatigue properties of CMCs can be highly frequency-dependent. The fatigue evaluation method for the random vibration case is adopted to evaluate the fatigue damage of a representative stiffened panel structure. The frequency effect through S-N curves on random fatigue damage is numerically veriied. Finally, a parameter is demonstrated to characterize the mean vibration frequency of a random process, and hence this parameter can further be considered as a reasonable loading frequency in the fatigue tests of CMCs to obtain more reliable S-N curves.Therefore, the inluence of vibration frequency can be incorporated in the random fatigue model from the two perspectives.     

柔性路面的各向异性疲劳损伤数值模型研究

根据柔性路面在交通荷载作用下的力学响应特点,推导了一个各向异性疲劳损伤本构方程,并基于ABAQUS软件及其二次开发平台,建立了考虑各向异性疲劳损伤的路面结构有限元模型。通过建立的模型计算车辆作用下路面结构的疲劳寿命,其结果与试验数据吻合良好,误差最高仅为3.8%,证明该模型精确可靠。最后,分析了疲劳损伤的演化规律,以及路面结构参数对疲劳性能的影响。结果表明,路面纵向疲劳损伤演化速率比横向大得多,随着车辆循环作用,路面结构的各向异性逐渐增强,进而又加剧疲劳损伤的演化。另外,沥青层越厚、土基弹性模量越大,路面疲劳损伤演化得越慢;而当土基较弱、沥青层较薄时,增加级配碎石层厚度可以显著延缓柔性路面的疲劳开裂。     

疲劳过程中的能量耗散和疲劳寿命的预测

试验测量了A3钢和铝合金LY12CZ在疲劳过程中的耗散能密度与应力幅的关系和破坏时的临界累积耗散能密度。通过一系列不同加载频率和应力比的比较试验,结果表明耗散能密度与应力幅的关系和临界累积耗散能密度在不同加载频率下变化不大,但是受应力比的影响较大。本文还建立了临界累积耗散能密度疲劳寿命预测判据,并用此判据进行了带中心孔板条构件的疲劳寿命预测,取得了较好的结果（误差在25％以内）。这种方法对于构件局部的疲劳主要由一个方向应力控制的工程问题,使用简便有效。     

Micro-macro investigations about the fatigue behavior of pre-hardened 304L steel

In this work, the effect of cyclic pre-hardening (CPH) and monotonic pre-hardening (MPH), on the Cyclic Stress-Strain Curve (CSSC) and fatigue are considered. New tension-compression tests on two types of 304L alloys used in nuclear power plants are carried out under the following conditions: (i) strain or stress control near endurance limit; (ii) zero or positive mean stress; (iii) virgin, CPH or MPH specimens. Macroscopic results show a detrimental effect of pre-hardening in strain control and a beneficial one in stress control. Some macroscopic considerations are given to explain this result and the effects of an applied mean stress which differ under stress and strain control. Relations between macroscopic results and microstructures at failure are investigated using SEM and TEM. SEM is used for analysis of fatigue striation space.TEM analyses suggest that cyclic pre-hardening mainly promotes wavy slip during subsequent fatigue testing, while monotonous pre-loading favors planar slip. For CPH case it seems that primary cells which are preserved and refined for the most part during fatigue testing, constitute the hard stable structure. After MPH and subsequent fatigue testing, a hard structure is constituted by embedding of three kinds of microstructures, small twins, small cells, crossing twin systems. The formation of a hard structure creates an important internal stress. Observation shows that in pre-hardened specimens, softening arrays as veins and PSBs are frequent under strain control and rather scarce under stress control. It can be so deduced that the increase of fatigue life by pre-hardening in stress control is related to reduced mean free path of mobile dislocations due to internal stress.The obtained results may help to understand some aspects about linear versus non linear fatigue damage accumulation.     

考虑载荷流泄时盾构机T形焊接结构疲劳可靠性分析

T形焊接结构是盾构机刀盘的关键结构之一,焊接处裂纹在亚临界的扩展是其疲劳失效的关键因素。文章考虑载荷流泄情况下,基于概率断裂力学的一次二阶矩方法提出了一种新的结构疲劳可靠性分析方法。将该方法应用到某盾构机T形焊接结构,给出了考虑与不考虑载荷流泄两种情况下结构疲劳可靠性计算结果,并用Monte Carlo方法验证了文章方法的有效性;利用最小二乘法拟合出了载荷流泄系数对该T形焊接结构疲劳可靠性的影响曲线,将该曲线划分了三个区域：即高、中、低疲劳失效区。结果表明在考虑和不考虑载荷流泄时,T形焊接结构的疲劳失效概率分别是8.2644e-05和3.4314e-04,即载荷流泄能一定程度上提高了结构的疲劳可靠度;实际工程在盾构机T形焊接结构疲劳可靠性设计时,T形焊接结构的厚度作为一个设计变量,而低失效区可以作为一个可靠度约束条件。研究成果为实际工程上盾构机刀盘的维修、检验计划和设计都有一定的理论指导意义。     

各向异性损伤力学在螺纹疲劳寿命预估中的应用

引用损伤力学方法研究金属构件疲劳问题。在微结构力学模型基础上建立轴对称的各向异性疲劳损伤本构关系,通过有限元-附加力解法编制考虑各向异性损伤的有限元程序。应用引入门槛条件的损伤演化方程,并以损伤划分步长预估了构件疲劳裂纹形成与扩展寿命。用这一方法预估30CrMnSiNi2Aφ5和φ8螺栓全寿命。结果表明,理论S-N曲线与试验S-N曲线吻合良好并且门槛条件对修正低应力下疲劳寿命有很好的效果。本方法所需机时较少,可用于工程实际构件的高周疲劳寿命预估及抗疲劳优化设计。     

Computational method for the SPSD of dynamic systems and its application

In this paper, a new method of obtaining the stress power spectral density (SPSD) of a structure that is not through measurement but through imitative computation is presented. First, the dynamic model of a system is established. Then, considering the randomness of the load, the response spectra of the system under different random excitations and parameters are computed by numerical imitation. Last, a concept of unit load stress matrix is put forward. Based on it, the relationship between the SPSD of a structure in a system and the response spectra of the system can be obtained. In particular, the method can be used to compute the SPSD of a new type dynamic structure and to emulate dynamic fatigue life. In the process, an example of the track of a high-speed train is used to compute its SPSD, and the result is used to estimate its fatigue life and to analyze its reliability.     

飞机典型结构件的声疲劳实验研究

飞机典型结构件为蒙皮、框和长桁组成的双向双加筋的九格壁板结构.利用高声强行波管系统,以典型试件中心格的第一阶频率为中心、1/3倍频程为带宽的窄带随机谱激励,再现壁板结构的声疲劳破坏方式.通过原始状态的典型试件的两次预试验,发现了原典型结构件的设计缺陷.采用三种方式对原结构框的两端进行了支持加强,得到各种支持状态下的声疲劳破坏形式.