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CFRP-钢层状复合结构的表面划痕损伤容限

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复合材料学报 2022年第7期39卷 3530-3541页

作者：王斌华康思思长安大学道路施工技术与装备教育部重点试验室西安710064

碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-钢层状结构在实际运营过程中,脆性碳纤维层容易出现划痕等表面损伤,因此为了保障损伤后复合结构的安全运行,需要对其进行损伤容限研究。基于边界效应理论模型(Boundary effect model,BEM),建立了表面划痕... 详细信息

碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-钢层状结构在实际运营过程中,脆性碳纤维层容易出现划痕等表面损伤,因此为了保障损伤后复合结构的安全运行,需要对其进行损伤容限研究。基于边界效应理论模型(Boundary effect model,BEM),建立了表面划痕损伤后的CFRP-钢层状结构三点弯曲断裂强度解析模型,并在CFRP表面分别预制了0.2 mm和0.4 mm深度的表面初始划痕缺陷,通过三点弯曲梁的成组试验验证了理论模型的可行性。研究结果表明:(1)利用金相显微镜观测了CFRP-钢层状结构三点弯曲极限荷载时的断裂特征,确定了表面划痕损伤后CFRP的结构特征参数C_(ch),代入解析模型获得了CFRP层的拉伸强度,并与CFRP直接拉伸试验测试的拉伸强度对比,两者偏差小于10%;(2)该解析模型为“断裂荷载=拉伸强度×等效面积”的线性方程形式,“等效面积”仅与CFRP-钢层状结构和表面裂纹的几何参数有关,因此,通过CFRP的直接拉伸强度可以预测表面损伤后CFRP-钢层状结构的断裂强度,实现损伤容限设计。

关键词： CFRP-钢层状结构表面划痕损伤容限断裂强度解析模型

缝合碳纤维/泡沫夹芯复合材料损伤阻抗及损伤容限性能

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高分子材料科学与工程 2022年第1期38卷 123-130页

作者：赖家美莫明智黄志超万义标何沛夕南昌大学机电工程学院聚合物成型研究室江西南昌330031 华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室江西南昌330013

通过真空辅助树脂传递模塑成型工艺(VARTM)技术制备了缝合和未缝合碳纤维/泡沫夹芯复合材料,并进行了低速冲击和冲击后压缩实验,利用深度测量仪检测冲击后的表面凹坑深度。使用Origin软件拟合出了表征损伤阻抗性能的冲击能量-凹坑深度... 详细信息

通过真空辅助树脂传递模塑成型工艺(VARTM)技术制备了缝合和未缝合碳纤维/泡沫夹芯复合材料,并进行了低速冲击和冲击后压缩实验,利用深度测量仪检测冲击后的表面凹坑深度。使用Origin软件拟合出了表征损伤阻抗性能的冲击能量-凹坑深度曲线及表征损伤容限性能的凹坑深度-剩余压缩强度曲线。以未缝合复合材料为对比,发现缝合能有效提高碳纤维/泡沫夹芯复合材料的损伤阻抗性能及损伤容限性能。缝合及未缝合碳纤维/泡沫夹芯复合材料的损伤阻抗及损伤容限曲线上均存在拐点,并且损伤阻抗的拐点位置和损伤容限的拐点位置具有一致性。拐点之前,泡沫夹芯板以基体裂纹和层间分层损伤为主;拐点之后,出现了纤维断裂损伤。

关键词：缝合碳纤维/泡沫夹芯复合材料损伤阻抗损伤容限低速冲击

2E12铝合金机身壁板损伤容限分析与试验验证

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南京航空航天大学学报 2023年第1期55卷 73-79页

作者：秦剑波宁宇周颜王新波张志楠航空工业第一飞机设计研究院强度设计研究所西安710089

2E12为国产新研铝合金材料,拟用于飞机机身蒙皮结构。损伤容限特性是该材料应用于型号的关键指标之一。按损伤容限设计要求,本文设计了3组典型的机身壁板结构试验件,包含了单跨裂纹、双跨裂纹和裂纹修理3种情况,首先完成了裂纹扩展和剩... 详细信息

2E12为国产新研铝合金材料,拟用于飞机机身蒙皮结构。损伤容限特性是该材料应用于型号的关键指标之一。按损伤容限设计要求,本文设计了3组典型的机身壁板结构试验件,包含了单跨裂纹、双跨裂纹和裂纹修理3种情况,首先完成了裂纹扩展和剩余强度数值分析,随后进行了验证试验,同时与2024铝合金试验件进行了对比分析和试验。研究结果表明:新研2E12铝合金材料损伤容限性能较好,能够满足型号设计要求;相对于单裂纹扩展,多裂纹的存在显著提高了裂纹扩展速率,多裂纹的总寿命缩短约为30%;裂纹扩展分析结果与试验结果误差小于10%;各试验件剩余强度结果一致性很好,分析结果与试验结果的差别约为2.3%。

关键词：机身壁板损伤容限裂纹扩展应力强度因子剩余强度

人工缺陷下感应淬火重载铁路车轴损伤容限评价

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表面技术 2024年

作者：吴鹏程高杰维赵海于文坛徐磊郭新凯林鹏飞陈宏韩靖西华大学材料学院西南交通大学材料学与工程学院中车青岛四方机车车辆股份有限公司西华大学机械工程学院马鞍山钢铁股份有限公司电子科技大学广东电子信息工程研究院

目的研究不同感应淬火工艺下重载铁路车轴钢试样梯度结构，阐明不同人工缺陷下感应淬火试样的疲劳断裂行为并对其损伤容限进行评价，为重载铁路车轴感应淬火工艺设计和损伤容限评价提供理论基础和评价方法。方法采用不同感应淬火工艺... 详细信息

目的研究不同感应淬火工艺下重载铁路车轴钢试样梯度结构，阐明不同人工缺陷下感应淬火试样的疲劳断裂行为并对其损伤容限进行评价，为重载铁路车轴感应淬火工艺设计和损伤容限评价提供理论基础和评价方法。方法采用不同感应淬火工艺参数在AAR-CM车轴钢试样表面制备不同深度淬硬层，采用X射线测量淬硬层残余应力分布，通过电火花和空气炮在正火态和感应淬火试样表面制备不同尺寸的电火花或冲击损伤，采用疲劳试验机研究损伤试样的弯曲疲劳性能，借助光学显微镜和扫描电镜分析试样的损伤机理和疲劳断裂行为并对其疲劳性能进行评价。结果三种工艺下感应淬火试样有效淬硬层深度分别为800μm、1200μm、1400μm。电火花缺口尺寸较小时，感应淬火试样的疲劳强度比正火态试样高50%。冲击损伤尺寸较小时，感应淬火试样的疲劳强度比正火态试样高40%。尺寸较小冲击损伤对正火态和感应淬火处理试样疲劳强度没有影响。结论感应淬火可提高重载铁路车轴钢试样表面强度进而提高其耐冲击性能，残余压应力减弱电火花缺口试样和低速冲击损伤对试样疲劳强度的影响，高速冲击破坏试样表面完整性并削弱残余压应力的作用，试样的疲劳强度急剧降低。本文中所设计的淬硬层深度对感应淬火试样损伤容限的影响较小。

关键词：铁路车轴感应淬火淬硬层深度人工缺陷损伤容限

Z-pin增强复合材料冲击性能及损伤容限研究进展

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同方期刊数据库

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材料科学与工程学报 2022年第6期40卷 1073-1078页

作者：史建猛杜金波张皓为毕运波中航西安飞机工业集团股份有限公司陕西西安710089 浙江大学机械工程学院浙江杭州310027

本文总结了碳纤维复合材料Z-pin增强的联桥机制、Z-pin植入产生的面内纤维屈曲效应以及富树脂区的形成,重点分析了Z-pin植入密度、直径、植入角度及不同复合材料层合板厚度和铺层对冲击性能和冲击后剩余力学性能的影响。研究表明:Z-pin... 详细信息

本文总结了碳纤维复合材料Z-pin增强的联桥机制、Z-pin植入产生的面内纤维屈曲效应以及富树脂区的形成,重点分析了Z-pin植入密度、直径、植入角度及不同复合材料层合板厚度和铺层对冲击性能和冲击后剩余力学性能的影响。研究表明:Z-pin在较低冲击能量下对冲击阻抗的影响不明显;Z-pin对于分层损伤起始影响不大;Z-pin的存在会提高中等厚度(4.5 mm)板抗分层性能;Z-pin并不会改变冲后压缩试验的失效形式,在一定冲击能量范围内Z-pin会极大地提高剩余压缩强度;试件在低速冲击表面不可见损伤情况下,Z-pin对复合材料疲劳性能基本没有影响;在较高冲击能量下Z-pin体积分数越高,疲劳性能增益效果越明显。

关键词：复合材料 Z-pin 冲击阻抗损伤容限

基于损伤容限设计的同步辐射装置挡光元件热疲劳寿命分析

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实验力学 2022年第4期37卷 528-540页

作者：殷琰来显凯西安工程大学城市规划与市政工程学院陕西西安710048

以同步辐射装置前端区挡光元件为分析对象,通过低周疲劳试验得到元件制作材料的裂纹扩展速率公式,利用热负载下典型元件结构的温度和弹塑性应力应变有限元模拟结果,采用损伤容限设计方法并结合Miner线性损伤累积理论进行元件疲劳寿命分... 详细信息

以同步辐射装置前端区挡光元件为分析对象,通过低周疲劳试验得到元件制作材料的裂纹扩展速率公式,利用热负载下典型元件结构的温度和弹塑性应力应变有限元模拟结果,采用损伤容限设计方法并结合Miner线性损伤累积理论进行元件疲劳寿命分析,据此提出基于损伤容限设计理论的挡光元件热疲劳有限寿命设计方法。结果显示,静强度设计方法过于保守,局部应力应变分析法也有不足,基于损伤容限设计的元件有限寿命设计方法可为装置总体性能的提升提供参考。

关键词：热疲劳损伤容限疲劳寿命预测挡光元件有限元模拟

大规格损伤容限钛合金TC4-DT的研制及应用

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航空学报 2020年第6期41卷 374-382页

作者：陈联国王文盛朱知寿赵勇黄建云张海彭富华中国航空工业成都飞机设计研究所成都610091 西部超导材料科技股份有限公司西安710012 北京航空材料研究院北京100095 中国航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司成都610091

为了满足新一代战斗机对大规格损伤容限钛合金的需求,开展了TC4-DT钛合金大规格棒材与锻坯的成分与组织控制、大型锻件热处理过程中的显微组织控制、材料与锻件的制造过程控制、零件的疲劳强化等研究。经过大型铸锭熔炼、大规格棒材和... 详细信息

为了满足新一代战斗机对大规格损伤容限钛合金的需求,开展了TC4-DT钛合金大规格棒材与锻坯的成分与组织控制、大型锻件热处理过程中的显微组织控制、材料与锻件的制造过程控制、零件的疲劳强化等研究。经过大型铸锭熔炼、大规格棒材和锻坯试制、大厚度锻件试制、结构设计与制造,结果表明:损伤容限钛合金TC4-DT大型铸锭的成分均匀、大型锻坯和大厚度锻件的抗拉强度变异系数降至约2%,激光冲击、喷丸和冷挤压等对该合金的寿命增益效果显著。损伤容限钛合金TC4-DT在新一代战斗机上获得了广泛应用。

关键词：损伤容限钛合金铸锭熔炼热处理片层组织过程控制激光冲击

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人工机械心瓣的损伤容限分析

材料研究学报 2021年第2期35卷 128-134页

作者：张建辉邢兴阮叶鹏孙振国杭州电子科技大学机械工程学院杭州310018

基于断裂力学的损伤容限方法分析了国产全炭人工机械心瓣的保守寿命-在生理负荷作用下,热解炭瓣片失效前预存初始裂纹扩展到临界尺寸经历的加载循环次数。结果表明:人工机械心瓣瓣膜的最小初始裂纹尺寸只有几十微米,为了给瓣膜植入患者... 详细信息

基于断裂力学的损伤容限方法分析了国产全炭人工机械心瓣的保守寿命-在生理负荷作用下,热解炭瓣片失效前预存初始裂纹扩展到临界尺寸经历的加载循环次数。结果表明:人工机械心瓣瓣膜的最小初始裂纹尺寸只有几十微米,为了给瓣膜植入患者提供最大的安全保障,其基本要求是使用损伤容限设计方法进行热解炭人工心瓣的设计和质量控制。

关键词：复合材料热解炭人工心瓣损伤容限允许初始裂纹

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旋挖钻机底架损伤容限设计及疲劳可靠性分析

旋挖钻机底架损伤容限设计及疲劳可靠性分析

作者：赵龙长安大学

学位级别：硕士

旋挖钻机作为桩工机械的主力机种,在国民基础设施建设中发挥着重要作用。旋挖钻机工作环境恶劣,承受载荷复杂多变。底架结构作为支撑整个旋挖钻机工作载荷的部位,其疲劳寿命与可靠性将对整个旋挖钻机的工作产生重要影响。本文以国内某... 详细信息

旋挖钻机作为桩工机械的主力机种,在国民基础设施建设中发挥着重要作用。旋挖钻机工作环境恶劣,承受载荷复杂多变。底架结构作为支撑整个旋挖钻机工作载荷的部位,其疲劳寿命与可靠性将对整个旋挖钻机的工作产生重要影响。本文以国内某公司生产的一款旋挖钻机底架结构作为研究对象,对其进行损伤容限设计及疲劳可靠性分析,主要研究内容如下:首先对旋挖钻整体的工作原理进行分析,考虑不同工况下旋挖钻机底架的受力情况,利用SOLIDWORKS与Workbench软件对其进行三维建模与有限元静力学分析,得出容易出现初始疲劳裂纹的位置为底架回转圆盘支撑板处。对比分析了机械结构在含裂纹时的疲劳寿命预测方法,Paris模型在对含裂纹结构承受常幅载荷时进行预测时,可以较好的预测出裂纹在中速率扩展阶段的扩展行为,对于含裂纹结构承受变幅载荷时,NASGRO模型具有优势,此模型将裂纹闭合效应考虑在内,应用条带屈服模型将不同载荷水平之间的相互作用纳入模型中,对承受变幅载荷作用下的裂纹扩展行为可以更好的模拟。在危险位置建立初始裂纹,将载荷谱进行雨流计数处理,结合n Code软件分别应用NASGRO模型与Paris模型对裂纹扩展寿命进行预测,结果显示采用NASGRO模型预测的寿命为9.09E5次载荷循环,而采用Paris模型预测结果为1.631E5次载荷循环,通过对旋挖钻机危险点载荷谱的分析,其载荷复杂多变,需要考虑不同水平的载荷之间的相互作用,最终取NASGRO模型的分析结果作为寿命预测结果。针对旋挖钻机支撑板部位的具体结构特征对Q345的S-N曲线进行修正,将载荷谱进行威布尔分布拟合,对疲劳强度进行正态分布拟合,应用应力-强度干涉模型对底架结构进行疲劳可靠性计算,计算可靠度结果为0.8597,证明底架结构在使用期间可能发生失效,应该依据裂纹扩展情况及时检修。

关键词：旋挖钻机底架疲劳寿命损伤容限 NASGRO模型疲劳可靠性裂纹扩展