薄板刚度对点焊接头强度特性影响

本文介绍了三种形状的薄板材料点焊接头试件的拉伸试验及疲劳试验结果,探讨了改变薄板刚度对点焊接头静强度和疲劳寿命的影响。应用断裂力学理论及有限单元法计算焊核周围裂尖各点的应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ及有效应力强度因子K_(φθmax),并用这些力学参数分析了不同刚度点焊接头试件的静强度和疲劳寿命。结果表明有效应力强度因子K_(φθmax)是评价拉剪点焊头疲劳寿命的有效力学参数。     

航空涡轮盘多轴蠕变-疲劳寿命预测及对比研究

针对几种经典和新发展的蠕变-疲劳寿命模型开展综述介绍,并建立预测航空涡轮盘在循环热-机蠕变-疲劳载荷谱下蠕变-疲劳行为的数值流程,对某型航空涡轮盘的蠕变-疲劳损伤和寿命进行预测和对比．结果表明：等效应变法与临界平面法得出的疲劳损伤差距较小,等效应变法由于数值计算简单,工程适用性更强．寿命-时间分数(TF)法由于无法考虑应力松弛效应,给出了最为保守的蠕变损伤预测,其对盘体应力三轴度引起的损伤不敏感;延性耗竭法(DE)法仅以蠕变应变率作为损伤因素,虽考虑多轴蠕变因子的影响,但是给出的蠕变损伤过小;修正应变能密度耗竭(MSEDE)法综合考虑蠕变应变与应力松弛,并且考虑多轴蠕变因子与弹性跟随效应的影响,结合疲劳损伤模型可以给出合理的蠕变、疲劳损伤比例,其预测结果更加合理．     

16MnR钢循环蠕变-疲劳交互作用损伤力学模型

应力控制模式下出现的循环蠕变现象,将和疲劳一起加速材料的损伤.在进行损伤评估的时候,需兼顾循环蠕变和疲劳的影响.在循环蠕变本构模型、延性耗散理论的基础上,建立循环蠕变疲劳交互作用损伤力学模型.进行16 MnR钢420℃下应力控制的脉动循环试验,选取一种新的损伤参量“等效模量”来描述循环蠕变和疲劳的综合作用,得到16 MnR钢420℃脉动循环时循环蠕变疲劳交互作用下的损伤演化估算表达式和寿命预测方法.通过试验验证,寿命预测结果与试验结果吻合较好.     

基于裂纹扩展的疲劳-蠕变寿命预测

为了提高疲劳-蠕变寿命的预测精度,首次从裂纹扩展角度出发引入有效应变能密度增量,利用应力-应变迟滞回线所围图形的正值面积对其进行了定义和计算。计算表明,有效应变能密度增量与加载的应力、速率、保载时间、材料性质及疲劳-蠕变的速率相关,且随压应力增加而增大。通过将有效应变能密度增量与裂纹的长度之积定义为裂纹扩展的控制参量,建立了疲劳-蠕变下的裂纹扩展速率方程,并由此导出了疲劳-蠕变寿命与有效应变能密度增量之间的关系式。该式中的疲劳与蠕变有效应变能密度增量交叉项恰好反映了疲劳与蠕变的交互作用。最后,采用该式对1.25Cr0.5Mo钢在540℃时不同应力控制下的疲劳-蠕变寿命进行了预测,发现83.3%的预测值在实验值的1.3倍分散带以内,预测结果良好。     

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。     

考虑静强度要求的飞机金属结构腐蚀/疲劳交替寿命预测方法

腐蚀环境下飞机金属结构疲劳关键件的寿命评定是飞机结构寿命监控的重要工作。为此,模拟飞机结构经历的"地面腐蚀+空中疲劳"过程,构建了考虑静强度要求的腐蚀/疲劳交替寿命预测模型。首先分析了结构静强度要求对腐蚀损伤的限制,然后基于腐蚀影响系数法提出了将腐蚀损伤当量成疲劳寿命的衰减;进一步分析了结构静强度对疲劳累积损伤的影响;最后,建立了基于静强度和累积损伤准则的腐蚀/疲劳交替寿命预测模型。计算结果表明:由于结构静强度的要求,不同使用强度下飞机结构疲劳寿命和日历寿命的消耗基本服从分段的线性关系;在使用强度为4.517万次/天和3.591万次/天时,疲劳寿命和日历寿命的消耗存在"平衡点",可以通过调整使用强度,达到二者同时到寿的目标。该模型可以为飞行计划的调整提供参考。     

聚变堆循环温度载荷下纯铜疲劳蠕变行为的数字相关测量

聚变堆偏滤器部件主要受到周期性高热流载荷的作用,其过渡纯铜夹层在高温变载荷下粘性效应突出,实际疲劳蠕变特性可能偏离常规的本构模型,开展相关研究是未来高热流偏滤器设计和评估的关键基础问题之一。本研究采用数字图像相关测量设备在新建成的聚变堆热疲劳综合实验平台上,测量了纯铜试件在拉应力条件下周期性循环热载荷对其疲劳蠕变特性的影响特征。结果表明温变载荷的温升速率上升会较大程度缩短纯铜稳态蠕变时间,提前进入快速蠕变阶段。     

热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和抗腐蚀设计方法

对于沿海地区或海洋环境中使用的航空发动机来说, 由于高温、机械载荷和盐雾环境的共同作用, 热腐蚀疲劳破坏是影响其热端部件服役寿命的主要因素. 本文对热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和防腐蚀设计方法进行了总结、归纳及评述, 提出了未来的研究趋势与发展方向. 首先介绍航空发动机热端部件的热腐蚀疲劳故障案例、损伤演化机理; 其次, 重点分析了低温腐蚀疲劳寿命的唯象模型、损伤力学模型、断裂力学模型以及机器学习模型; 再次, 对几种代表性的考虑腐蚀演化不同阶段的分段式腐蚀疲劳全寿命模型进行综述, 还分析指出了腐蚀疲劳全寿命模型的发展趋势; 从次, 对航空发动机材料选择、零件制造、结构强度设计和外场运行维护不同阶段的抗腐蚀方法进行了综述. 最后, 对增材制造零部件的热腐蚀疲劳问题以及无损检测技术、人工智能等与热腐蚀疲劳研究的结合进行了展望.      

发动机薄壁盘类零件振动疲劳试验技术研究

以某发动机薄壁盘类零件为例,采用分析与试验相结合的方法进行了薄壁盘类零件振动疲劳试验方案设计与调试,验证了分析与试验方法的可靠性。并在此基础上,采用共振驻留控制方式进行了振动疲劳正式试验,获取了振动疲劳试验过程中的相关物理参数的变化规律,包括共振频率和等效应力与激振加速度量值及循环数之间的关系,并且验证了高温合金材料在高周振动疲劳服役中的材料硬化等性能,最后得到了该薄壁零件的疲劳寿命。所提出的试验设计方法、试验方法及得出的结论可为发动机薄壁盘类零件振动疲劳性能考核验证及强度性能评估提供一定的参考。     

气动环境下结构噪声载荷谱编制方法

目前针对既受气动静压力又受声载荷的结构,试验考核时大部分是静强度与声疲劳寿命分开考核,但是气动静压产生的拉伸平均应力会影响结构的声疲劳寿命,本研究提供一种气动环境下结构噪声载荷谱编制方法,将气动静压对结构寿命的影响等效到声载荷中,便于在实验室中进行疲劳寿命验证。通过有限元研究了气动静压对结构振动特性和响应特性的影响,计算得到了不同压力情况下结构的振动特性,并且得到了气动静压与声载荷联合作用下结构的响应,根据相应材料的随机S-N曲线计算得到不同静压下结构的声疲劳寿命,得出了气动静压达到一定值会严重影响结构声疲劳寿命的结论。随后利用修正Goodman公式将平均应力非零状态的动应力转化为零平均应力时的动应力,然后根据损伤等效关系将气动静压对结构寿命的影响等效到声载荷中。研究给出了气动环境下结构噪声载荷谱编制方法。     

汽轮机动叶片的可靠性设计方法

提出了汽轮机叶片可靠性设计方法,介绍了叶片可靠性的含义和计算方法。该方法以概率论和统计学为基础,把汽轮机叶片的静应力、动应力、叶片疲劳强度、叶片安全倍率、叶片振动频率和激振力频率处理为随机变量,通过试验数据的统计分析和计算,确定有关随机变量的分布参数。使用概率设计法、应力与强度干涉模型确定汽轮机叶片疲劳强度和振动设计的可靠度。文中给出了叶片疲劳强度的动应力设计法和安全倍率设计法以及第一种调频叶片、第二种调频叶片和整圈连接叶片组的振动可靠性设计的计算公式和一些应用实例。使用这些方法,可以在设计阶段确定汽轮机叶片设计的可靠度,为汽轮机叶片的可靠性设计提供了科学的依据。     

大型汽轮机部件低周疲劳安全寿命的设计和评定

文中提出了汽轮机部件低周疲劳安全寿命的设计和评定方法。介绍了汽轮机部件低周疲劳安全寿命的含义和计算方法。该方法以概率论和统计学为基础，把汽轮机部件的低周疲劳寿命处理为随机变量，对低周疲劳试验数据进行统计分析来确定材料低周疲劳寿命的分布参数，使用可靠性理论来确定汽轮机部件的低周疲劳安全寿命。文中给出了低周疲劳寿命服从正态分布和对数正态分布时汽轮机部件低周疲劳安全寿命的计算方法和应用实例。该方法考虑了汽轮机运行参数随机性和材料低周疲劳特性离散性的影响，为汽轮机部件低周疲劳寿命的设计、评定和诊断提供了科学的依据。     

Statistical Assessment of Tensile Static,Creep and Fatigue Strengths for Unidirectional CFRP

Background

The tensile strength along the longitudinal direction of unidirectional carbon fiber reinforced plastics (CFRPs) constitutes important data for the reliable design of CFRP structures. Our earlier reports proposed the formulations for the statistical static, creep, and fatigue strengths of CFRP based on Christensen’s model of the viscoelastic crack kinetics.

Objective

This study is concerned with the statistical assessment of the tensile static, creep, and fatigue strengths of unidirectional CFRPs by using the proposed formulations and the characterization of the long-term strengths of unidirectional CFRPs.

Method

First, the proposed formulations for the time-dependent and temperature-dependent statistical static, creep, and fatigue strengths of CFRP are introduced. Second, the tensile static, creep and fatigue strengths of unidirectional CFRP are measured statistically at various temperatures using resin-impregnated CFRP strands as tensile test specimens by measuring the viscoelasticity of the matrix resin. Finally, the master curves showing the long-term life of these strengths are constructed by substituting these measured data into the formulations.

Results

The results clarify that the formulations are applicable with high reliability over wide ranges of time and temperature for the statistical tensile static, creep and fatigue strengths of unidirectional CFRP except above the glass transition temperature of the matrix resin. Therefore, the fatigue strength degradation phenomena of unidirectional CFRPs can be expressed by the time- and temperature-dependent part due to the viscoelastic behavior of the matrix resin and the number of load cycle-dependent parts.

Conclusions

The long-term life prediction of unidirectional CFRPs under static, creep and fatigue tension loadings can be determined by ascertaining the mechanical properties of the CFRP and matrix resin in the proposed formulations.

     

Application of bamboo laminates in large-scale wind turbine blade design

From the viewpoint of material and structure in the design of bamboo blades of large-scale wind turbine, a series of mechanical property tests of bamboo laminates as the major enhancement materials for blades are presented. The basic mechanical characteristics needed in the design of bamboo blades are briefly introduced. Based on these data, the aerodynamic-structural integrated design of a 1.5 MW wind turbine bamboo blade relying on a conventional platform of upwind, variable speed, variable pitch, and doubly-fed generator is carried out. The process of the structural layer design of bamboo blades is documented in detail. The structural strength and fatigue life of the designed wind turbine blades are certified. The technical issues raised from the design are discussed. Key problems and direction of the future study are also summarized.     

Three-dimensional structure optimal design for extending fatigue life by using biological algorithm

This paper presents some applications of a new structural shape optimization procedure for maximizing fatigue life or inspection intervals for damage tolerant structures. In this approach, a new and simple method, which we termed FAST (Failure Analysis of Structures), for estimating the stress intensity factor for cracks at a notch, as well as an extension of the biological algorithm was employed to study the problem of optimization with fatigue life as the design objective. Research by the authors has demonstrated that the optimum shape for minimizing stress is not necessarily the optimum shape for static strength or fatigue life of a damage tolerant structure. The examples are presented that highlight this difference. The optimal shapes for stress are compared with optimized shapes found for static strength with different crack lengths. These are also compared with optimized shapes found for maximum fatigue life. The choice of initial crack size was found to have a significant effect on the optimal shapes for the structures presented.     

Analytical elasto-creep model of interfacial thermal stresses and strains in trilayer assemblies

A two-dimensional model has been developed for thermal stresses, elastic strains, creep strains, and creep energy density at the interfaces of short and long trilayer assemblies under both plane stress and plane strain conditions. Both linear (viscous) and non-linear creep constitutive behavior under static and cyclic thermal loading can be modeled for all layers. Interfacial stresses and strains are approximated using a combination of exact elasticity solutions and elementary strength of materials theories. Partial differential equations are linearized through a simple finite difference discretization procedure. The approach is mathematically straightforward and can be extended to include plastic behavior and problems involving external loads and a variety of geometries. The model can provide input data for thermal fatigue life prediction in solder or adhesive joints. For a typical solder joint, it is demonstrated that the predicted cyclic stress–strain hysteresis shows shakedown and a rapid stabilization of the creep energy dissipation per cycle in agreement with the predictions of finite element analysis.     

涡轮叶片的持久寿命预测模型

镍基高温合金用于制造发动机的高压涡轮叶片.为了提高涡轮叶片持久寿命设计参数选取和设计方法的可靠性,从涡轮叶片代表性部位取材并设计、加工试验试件,进行持久寿命试验.试验过程中记录试件的变形量,进而推算出其蟠变应变,然后利用修正θ-Project Concept法来建立其持久寿命预测方程,并对其进行验证.     

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。