基于小裂纹理论的疲劳设计方法研究

根据ETS理论,引入小裂纹的特征尺寸0a,对从缺口根部萌生的小裂纹扩展机理进行研究,并将小裂纹理论与疲劳设计理念相结合,进一步提高了构件的安全性.结果表明:基于小裂纹理论分析缺口构件的疲劳性能时,可通过缺口几何尺寸、外荷载、材料疲劳极限、裂纹扩展门槛值等参数来确定缺口敏感系数q的值,这种方法与目前常用的利用经验公式计算q的方法相比具有明显优势;设计中恰当地考虑小裂纹行为,能够计算出构件对无法检测的小裂纹的容许应力,这对结构的安全性分析是十分有利的;将环境影响下的裂纹问题等效为疲劳小裂纹问题,有利于从力学角度对其进行分析.     

一种经验型疲劳小裂纹扩展模型

金属材料疲劳寿命由裂纹萌生和裂纹扩展寿命两部分组成,其中对于萌生寿命中的小裂纹分析是精确描述裂纹萌生寿命的关键．而小裂纹在扩展过程中由于尺寸相对较小,导致传统线弹性断裂力学预测方法失效,需要对其进行改进,考虑裂纹尖端塑性区引起的残余压应力对小裂纹扩展速度的影响．本文针对此问题进行了初步分析,通过对塑性区引起的残余应力的量化,结合小裂纹门槛值特性,提出了一种经验型修正的小裂纹扩展模型,用于定量预测裂纹的萌生寿命．使用铝合金6082-T6缺口试样进行了疲劳实验,并与理论结果进行了对比,验证了所提模型的有效性．     

燃气涡轮发动机关键部件疲劳小裂纹研究进展

疲劳小裂纹扩展作为疲劳开裂过程中的关键阶段之一,显著影响着材料和结构的疲劳断裂过程.因具有速率波动和扩展路径偏转等特点,小裂纹效应给材料和结构疲劳寿命预测结果带来了不确定性,从而影响燃气涡轮发动机等机械结构的服役安全.本文围绕燃气涡轮发动机关键部件材料的疲劳小裂纹扩展问题,首先总结了当前疲劳小裂纹的扩展规律及其对疲劳寿命的影响规律;其次,针对先进燃气涡轮发动机关键部件常用的多晶合金和单晶合金,揭示了疲劳小裂纹的萌生和扩展机理;再次,对疲劳小裂纹扩展模型进行了总结,且指出了各模型的优缺点;从次,重点针对先进燃气涡轮发动机热端部件的工作环境,综述了热腐蚀/氧化介质中的疲劳小裂纹扩展行为和模型;最后,对当前疲劳小裂纹相关研究进行了总结,且结合燃气涡轮发动机领域提出了未来的研究趋势与方向.本文以期为先进燃气涡轮发动机关键部件的设计、安全评估和寿命预测提供理论知识和科学方法.     

考虑T-stress的非正态随机参数疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析

基于断裂力学的疲劳裂纹扩展寿命问题的研究常常将裂纹尖端应力展开项的高次项忽略,引起了裂纹扩展模拟的误差,本文考虑高次项T-stress对裂纹扩展角的影响,对裂纹扩展过程做了数值模拟,结果显示相同裂纹扩展长度下,考虑T-stress会延长裂纹扩展寿命。文章首先采用修正的Paris-Erdogan 公式计算了两端承受均布拉伸载荷的边缘斜裂纹板的疲劳裂纹扩展寿命,裂纹扩展方向采用两参数修正的最大拉应力准则。由于结构尺寸,材料特性和载荷等因素具有不确定性,导致疲劳裂纹扩展过程带有一定的随机性,本文以材料属性和载荷为随机变量,在随机有限元法的基础上,结合计算可靠度的四阶矩法,Edgeworth级数展开方法,提出随机参数服从任意分布时的结构疲劳裂纹扩展寿命可靠度的计算方法。分析了参数为非正态分布时的平板裂纹扩展寿命可靠度随裂纹扩展的变化过程。本文方法可预测工程中板裂纹的扩展行为,以及预测裂纹板的可靠度。     

基于反向传播神经网络的疲劳裂纹扩展分析

材料发生疲劳断裂时往往会引起重大安全事故,而基于传统数值模拟方法求解疲劳裂纹扩展问题时模 型复杂、计算量大．本文基于包含多隐层的反向传播神经网络分析金属材料疲劳裂纹扩展行为,计算了裂纹扩 展过程中的 von Mises应力场和位移场,并与数值解和实验解进行对比,误差分析结果表明其求解精度高．并 基于该神经网络有效预测了裂纹扩展中裂纹长度及裂纹扩展速率的变化过程,预测精度高．该神经网络分析方 法可为材料剩余寿命和疲劳强度预测提供研究基础．     

疲劳裂纹形成、扩展统计特性的大子样试验研究

针对疲劳损伤过程的随机性，该文开展了等幅谱大子样疲劳裂纹形成、扩展至破坏全寿命过程的试验研究．在计算确立了裂纹形成、扩展分界工程小裂纹长度的基础上，整理得到了裂纹形成，扩展寿命的统计分布数据．根据断口金相ＳＥＭ观察，进一步定性分析了疲劳条纹分布的相关性特征．     

含缺口试件疲劳全寿命预测一种建议的方法

传统的研究含缺口构件的疲劳的方法是将疲劳启裂和疲劳裂纹扩展两个过程完全独立起来,用不同的方法来模拟,相互间并没有定量的关系。本文是基于最新发展的多轴疲劳损伤理论,建立了一种适用于各种载荷条件下的疲劳启裂和裂纹扩展的普适方法。根据从弹塑性分析中得到的应力应变,确定疲劳损伤模型,建立能够预测疲劳启裂、裂纹扩展速率和扩展方向的新方法。整个模拟可以分为两步:弹-塑性应力分析得到材料的应力应变分布;再运用一个通用的疲劳准则预测疲劳裂纹启裂和裂纹扩展。通过对1070号钢含缺口试件的疲劳全寿命预测,得到了与实验非常吻合的模拟结果。     

干态下车轮材料表面疲劳裂纹萌生试验研究

利用WR-1轮轨滚动磨损试验机,结合安定极限理论研究了干态下影响车轮材料表面疲劳裂纹萌生与扩展的因素,探究了表面疲劳损伤形成机理和演变规律.结果表明:随垂向力、横向力和冲角增大,表面疲劳裂纹越容易萌生扩展;冲角对表面疲劳裂纹的萌生与扩展起着重要作用,大冲角下斜线状表面疲劳裂纹萌生扩展明显;只有横向力而不存在冲角时,试样表面不会出现斜线状表面疲劳损伤;车轮试样在周期性循环载荷作用下在表面先形成塑性流动,然后沿轮轨表面切向力方向扩展成斜线状的表面疲劳起皮剥落损伤;垂向力是影响表面裂纹萌生时间的重要因素之一.     

疲劳裂纹形成,扩展统计特性的大子样试验研究

针对疲劳损伤过程的随机性，该文开展了等幅谱大子样疲劳裂纹形成，扩展至破坏全寿命过程的试验研究。在计算确立了裂纹形成，扩发界工程小裂纹长度的基础上，事理得到了裂纹形成，扩展寿命的统计分布数据，根据断口金相ＳＥＭ观察，进一步定性分析了疲劳条纹分布的相关性特征。     

高温疲劳表面短裂纹的分形研究

对2.25Cr-1Mo合金钢进行了高温疲劳实验，采用中断试验与复膜技术相结合的方法观测了试样表面疲劳短裂纹萌生，扩展及合体的演化过程，并用数据格子方法研究了含裂纹表面的分形特征。结果表明：疲劳短裂纹的萌生扩展行为具有分形特征，可以用分形理论加以描述；分形维数随着疲劳过程的继续而稳定地成比例增加；分形维数可以作为把握材料总体损伤状态的参数，可作为寿命评价的依据。     

短裂纹闭合的尺寸效应分析

对循环荷作用下缺口根部静态短裂纹和扩展短裂纹的闭合现象进行了弹塑性有限元分析。考虑不同应力水平和应力比，尤其是零－压载荷对短裂纹的作用。在此基础上提出分析长，短裂纹闭合尺寸效应的修正模型。与实验结果相比，本文模型对短裂纹的闭合预测甚好。     

35CrMo合金钢疲劳短裂纹扩展规律的试验研究

本文通过试验研究了35CrMo 合金钢三点弯曲试样疲劳短裂纹的扩展特性;用电测法得到了裂尖处的载荷—应变标定关系。试验结果表明,短裂纹的扩展速率正比于局部应力幅的幂次和裂纹长度,即 da/dN=A(?),可以较好地描述疲劳短裂纹的扩展规律。     

Rectangular tensile sheet with a center notch root crack

This paper deals with the rectangular tensile sheet with a center notch crack. Such a crack problem is called a center notch crack problem for short. By using a hybrid displacement discontinuity method (a boundary element method) proposed recently by Yan, two center notch models are analyzed in detail. By changing the geometrical forms and parameters of the center notch, and by comparing the SIFs of the center notch crack problem with those of the center cracked plate tension specimen (CCT), which is a model frequently used in fracture mechanics, the effect of the geometrical forms and parameters of the center notch on the stress intensity factors (SIFs) of the center cracked plate tension specimen, is revealed. Some geometric characterestic parameters are introduced here, which are used to formulate the notch length and the branch crack length, which are to be determined in mechanical machining of the center cracked plate tension specimen. So we can say that the geometric characterestic parameters and the formulae used to determine the notch length and the branch crack length presented in this paper perhaps have some guidance role for mechanical machining of the center cracked plate tension specimen. In addition, the numerical investigation proves that the conventional angular notched specimen is much less sensitive to the size of notch than is the circular notched specimen.     

高密度钢纤维混凝土疲劳裂纹扩展的分形描述

在对局部高密度钢纤维混凝土疲劳裂纹扩展规律的研究中发现,裂纹并非是由一条主裂纹循序渐进地发展,而是随着循环次数的增加,呈多条短裂纹陆续出现,弥散式发展的趋势;纤维掺量越大,临近破坏前试表面裂纹越密集、弯曲、本阐述了用分形语言描述表面裂纹演化的必要性并且探讨了描述方法,借助分形语言对试验结果分析后发现,纤维混凝土裂纹失稳扩展前的临界分维值Dc随着纤维掺量的增加而增加。     

基于局域分析的疲劳短裂纹群体演化随机模型

采用局域裂纹数密度描述金属材料中不同局部区域的疲劳短裂纹群体损伤的发展情况通过考虑在不同局域存在的材料性质的随机涨落及局部损伤对损伤总量发展的影响，建立了局域裂纹数密度演化随机方程对方程数值求解从而模拟了材料的疲劳短裂纹损伤过程结果显示出主裂纹出现的随机性，并讨论了裂纹总数与最大裂纹尺度在统计意义上的演化特征     

缺口裂纹起裂和扩展检测的直流电位法

本文从解析法、有限元分析和试验三方面探讨了直流电位法用于缺口问题的有效性。当缺口宽度与试样宽度之比较小时(如小于0.05),根据电位的改变量,解析法才能给出缺口裂纹扩展满意的推算.分析和试验说明,利用电位的改变反推缺口裂纹的扩展时,必须引入由于变形引起的缺口宽度变化对电位影响的修正.     

A statistical investigation of the behavior of short fatigue crack in medium carbon steels

Rotary bending fatigue tests were carried out by using smooth specimens of medium carbon steel with two ferrite grain sizes. In order to clarity the physical background of the scatter in fatigue behaviour, the statistical characteristics of the initiation and growth of short fatigue crack were investigated. Results show that the short crack initiation and growth life distribution can be express by two-or three-parameter Weibull distribution. The Weibull distribution of the mixed type is well fitted to the crack length distribution for both steels. The knee values of Weibull plots are related to the grain size. The crack length distribution before the knee point can be expressed by a two-parameter Weibull distribution, and that after the knee point can be represented by two-or three-parameter Weibull distribution. It was found that the initiation Life, growth life and crack length distribution were affected by the grain size.     

基于TCD理论的缺口试样疲劳强度尺寸系数计算

为了建立疲劳强度尺寸系数计算公式,基于TCD理论对缺口试件的疲劳强度进行了研究．引入与材料疲劳强度以及疲劳裂纹扩展应力强度因子门槛值相关的临界距离,建立了试样缺口根部的应力幅函数．利用有限元计算结果对应力幅函数的参数进行拟合,并由此建立了缺口件的疲劳强度尺寸系数计算公式．最后,基于该方法针对两种材料(Q235和45#)以及不同缺口形状（U型和半圆型）分别进行了实例计算,所得结果与实验数据较为吻合．     

Experimental and theoretical study on numerical density evolution of short fatigue cracks

Fatigue testing was performed using a kind of triangular shaped specimen to obtain the characteristics of numerical density evolution for short cracks at the primary stage of fatigue damage. The material concerned is a structural alloy steel. The experimental results show that the numerical density of short cracks reaches the maximum value when crack length is slightly less than the average grain diameter, indicating grain boundary is the main barrier for short crack extension. Based on the experimental observations and related theory, the expressions for growth velocity and nucleation rate of short cracks have been proposed. With the solution to phase space conservation equation, the theoretical results of numerical density evolution for short cracks were obtained, which were in agreement with our experimental measurements. The project supported by the National Natural Science Foundation of China and the Chinese Academy of Sciences.