高强铝合金接头疲劳全寿命分析，模拟及验证项目摘要

铝合金是轻量化设计的首选材料，在动车组、航天航空设备中被广泛采用。其抗疲劳能力是铝合金焊接结构服役安全的关键所在，然而接头的组织不均匀与结构几何不均匀造成疲劳研究异常复杂。本项目借助圆棒应变-疲劳试验与数值分析，明确裂纹萌生长度与萌生寿命，探索裂纹在接头不同组织中萌生行为。以萌生长度为起点，基于master S-N曲线计算裂纹扩展寿命。将应变疲劳与断裂力学相结合，深入探索十字接头几何特征(角变形、未熔合长度、焊脚尺寸及焊趾过渡半径)对裂纹萌生与扩展行为的影响，提出能够准确预测承载高强铝合金十字接头疲劳全寿命模型与最佳接头设计方案。本项目旨在阐明高强铝合金焊接接头各区中裂纹的萌生行为，定量描述接头几何特征对裂纹萌生、扩展行为的影响，为焊接接头疲劳设计与优化研究奠定理论基础。

铝合金是轻量化设计的首选材料，在动车组、航天航空设备中被广泛采用。其抗疲劳能力是铝合金焊接结构服役安全的关键所在，然而接头的组织不均匀与结构几何不均匀造成疲劳研究异常复杂。首先基于Shercliff-Ashby模型，分析焊接非均匀热过程对接头不同区域的影响，将焊接过程非线性加热过程引起的组织性能与接头强度建立计算模型，从不同区域加热的等效时间可计算其屈服强度，量化了铝合金接头的软化程度。研究了7N01铝合金焊接板材提取紧凑拉伸试样（CT试样）前后试样内的残余应力重分布规律，借助扩展有限元（XFEM）方法建立了含有各个长度静止裂纹的三维CT试样裂纹扩展模型根据Walker公式拟合试验获得的疲劳裂纹扩展数据，获得疲劳裂纹扩展速率随裂纹尖端平均应力强度因子K_m和应力强度因子幅值∆K的变化规律（Walker曲面）。借助Walker曲面分析无残余应力和含残余应力试样在外载荷作用下的疲劳扩展行为。研究结果表明，当试样含残余应力时，随着裂纹增长，可能出现疲劳裂纹扩展速率增加或者降低的情况，在裂纹尖端产生的应力强度因子为零之前，残余应力比较明显地影响疲劳裂纹扩展速率；当裂纹长度很大时，影响疲劳扩展速率的因素主要是外载荷。以萌生长度为起点，节点力法所求的应力场强度因子随裂纹长度的分布变化更符合真实的结果；将所求的应力场强度因子带入Pairs公式求解试件的疲劳扩展寿命，即为master S-N曲线计算裂纹扩展寿命方法。研究十字接头几何特征(角变形、未熔合长度、焊脚尺寸及焊趾过渡半径)对裂纹萌生与扩展行为的影响，提出能够准确预测承载高强铝合金十字接头疲劳全寿命模型与最佳接头设计方案，此计算模型可适用于任意类型焊接接头/结构的疲劳寿命预测。

第1章 绪论 1

1.1 疲劳 1

1.1.1 疲劳定义 1

1.1.2 疲劳的分类 1

1.2 疲劳寿命 2

1.2.1 按损伤发展定义的疲劳寿命 2

1.2.2 由设计准则定义的疲劳寿命 4

1.2.3 从使用角度定义的疲劳寿命 4

1.3 疲劳寿命分析发展简史 4

1.4 疲劳研究方法 7

1.4.1 疲劳研究的三个尺度 7

1.4.2 疲劳机制 7

1.4.3 经验方法 12

1.4.4 断裂力学方法 13

1.4.5 讨论 14

1.5 确定疲劳寿命的方法 15

第2章 金属材料的疲劳性能 18

2.1 金属材料的拉伸特性 18

2.2 金属材料的循环应力-应变特性 20

2.2.1 循环硬化和循环软化 21

2.2.2 循环蠕变和循环松弛 23

2.2.3 Bauschinger效应 23

2.2.4 Masing特性 24

2.2.5 稳态循环应力-应变曲线 25

2.2.6 记忆特性与可用性系数 27

2.2.7 瞬态循环应力-应变曲线 29

2.3 金属材料的S-N曲线 32

2.3.1 S-N曲线 32

2.3.2 S-N曲线的拟合 35

2.3.3 等寿命曲线 42

2.3.4 疲劳极限 44

2.3.5 获得疲劳极限的试验方法 52

2.3.6 疲劳极限图 53

2.3.7 p-S-N曲线 54

2.4 应变-寿命曲线 57

2.4.1 Δε-N曲线 58

2.4.2 εeq-N曲线 62

第3章 疲劳载荷谱 65

3.1 疲劳载荷谱的种类 66

3.1.1 常幅谱 66

3.1.2 块谱 66

3.1.3 随机谱 67

3.2 雨流法 69

3.3 机动类飞机的载荷谱 72

3.3.1 任务剖面 72

3.3.2 载荷谱组成 73

3.4 运输类飞机载荷谱 80

3.4.1 突风载荷 80

3.4.2 机动载荷 80

3.4.3 地面载荷 82

3.4.4 地-空-地循环 86

3.5 试验谱编制 86

3.5.1 高载截除 87

3.5.2 低载删除 87

3.5.3 载荷谱的等效 98

3.5.4 飞-续-飞试验谱的编制 99

3.5.5 严重谱 101

第4章 影响结构疲劳性能的主要因素 107

4.1 应力集中的影响 108

4.1.1 平均应力模型 109

4.1.2 场强法模型 113

4.1.3 断裂力学模型 115

4.1.4 小结 117

4.1.5 算例 120

4.1.6 实例 123

4.2 尺寸的影响 128

4.2.1 均匀应力场的尺寸系数 128

4.2.2 非均匀应力场的尺寸系数 131

4.3 表面状态的影响 134

4.3.1 表面加工粗糙度 134

4.3.2 表层组织结构 137

4.3.3 表层应力状态 138

4.4 载荷的影响 142

4.4.1 载荷类型的影响 142

4.4.2 加载频率的影响 142

4.4.3 平均应力的影响 145

4.4.4 载荷波形的影响 145

4.4.5 载荷停歇和持续的影响 146

第5章 疲劳累积损伤理论 148

5.1 损伤的定义 148

5.2 疲劳累积损伤理论及其分类 148

5.2.1 三要素 148

5.2.2 分类 149

5.2.3 剩余寿命模型 150

5.2.4 剩余强度模型 151

5.2.5 剩余刚度模型 152

5.2.6 小结 153

5.3 线性疲劳累积损伤理论 154

5.3.1 等损伤线性疲劳累积损伤理论 154

5.3.2 等损伤分阶段线性疲劳累积损伤理论 159

5.3.3 变损伤线性累积损伤理论 161

5.4 非线性疲劳累积损伤理论 163

5.4.1 Carten-Dolan理论 163

5.4.2 Chaboche理论 164

5.5 关于疲劳累积损伤理论的讨论 165

5.5.1 模型的评估 165

5.5.2 模型的试验数据评估 165

5.5.3 结论 170

第6章 名义应力法 174

6.1 名义应力法基本原理 174

6.1.1 名义应力法估算结构疲劳寿命的步骤 174

6.1.2 材料性能数据 175

6.1.3 名义应力法的种类 177

6.2 传统的名义应力法 177

6.2.1 名义应力法 177

6.2.2 算例 177

6.2.3 实例 187

6.3 SSF法 197

6.3.1 SSF法 197

6.3.2 等效SSF法 201

6.3.3 实例 204

6.4 小结与讨论 215

第7章 局部应力应变法 217

7.1 局部应力应变法的基本假设 217

7.1.1 局部应力应变法估算结构疲劳寿命的步骤 218

7.1.2 局部应力应变法的种类 218

7.1.3 关于局部应力应变法原理的讨论 219

7.2 结构局部应力应变的计算 220

7.2.1 Neuber近似解法 221

7.2.2 弹塑性有限元解法 223

7.2.3 缺口弹塑性应力应变的Neuber解与有限元解的比较 224

7.3 局部应力应变法的稳态法 226

7.3.1 算例 227

7.3.2 实例 237

7.4 局部应力应变法的瞬态法 245

7.5 小结 254

第8章 应力应变场强法 255

8.1 应力场强法基本原理 255

8.1.1 基本原理 255

8.1.2 应力场强法基本假设的试验验证 258

8.1.3 缺口件疲劳寿命估算方法的讨论 264

8.2 应力场强法对有关疲劳现象的解释 267

8.2.1 疲劳缺口减缩系数 267

8.2.2 不同加载方式下疲劳极限 270

8.2.3 多轴比例复合载荷作用下的疲劳极限 273

8.2.4 疲劳尺寸系数 275

8.3 应力场强法的应用 278

8.3.1 算例 279

8.3.2 实例 281

8.4 小结 284

第9章 多轴疲劳 287

9.1 多轴疲劳载荷谱的处理 287

9.1.1 常用的多轴疲劳试验件 288

9.1.2 应力不变量和应变不变量 289

9.1.3 等效应力和等效应变 290

9.1.4 试验常用的载荷路径 291

9.1.5 多轴疲劳载荷谱的处理 293

9.2 多轴循环应力 应变关系 294

9.3 多轴疲劳破坏准则 295

9.3.1 多轴疲劳破坏准则分类 295

9.3.2 等效损伤量 297

9.3.3 直接损伤量 302

9.3.4 多轴疲劳破坏准则评估 305

9.3.5 讨论 306

9.4 多轴疲劳累积损伤理论 307

9.4.1 疲劳累积损伤理论分类 307

9.4.2 多轴线性累积损伤模型 308

9.4.3 多轴非线性累积损伤模型 309

9.4.4 多轴疲劳累积损伤新模型 310

9.4.5 方法评估 311

9.4.6 阶梯谱下的多轴疲劳损伤累积研究 314

9.4.7 块谱和随机谱下的累积损伤理论研究 322

9.4.8 小结 327

9.5 缺口件的多轴疲劳寿命分析 328

9.5.1 名义应力法 328

9.5.2 局部应力应变法 329

9.5.3 临界距离法 331

9.5.4 应力应变场强法 333

9.5.5 小结 333

附录 疲劳寿命数据 334

第10章 振动疲劳 348

10.1 振动疲劳的定义 348

10.2 振动疲劳寿命分析 348

10.2.1 结构振动 348

10.2.2 振动疲劳寿命分析方法分类 349

10.3 结构振动疲劳试验 350

10.3.1 椭圆孔板 350

10.3.2 半圆形槽缺口试验件 350

10.3.3 U形槽缺口试验件 353

10.3.4 连接件 356

10.4 结构振动疲劳寿命估算的时域法 357

10.4.1 时域法 357

10.4.2 随机过程时域模拟方法 358

10.4.3 算例 359

10.5 结构振动疲劳寿命分析的频域法 360

10.5.1 功率谱密度 360

10.5.2 寿命分析基本理论 363

10.5.3 频域法疲劳寿命分析流程 364

10.5.4 应力幅值的概率密度函数p(S) 364

10.5.5 算例分析 366

10.6 缺口件的振动疲劳寿命分析 367

10.6.1 动力学下的应力集中系数 367

10.6.2 局部应力分析法 368

10.6.3 名义应力分析法 369

10.7 连接件的振动疲劳寿命分析 370

10.7.1 动力学下的应力严重系数SSF 370

10.7.2 连接件的振动疲劳寿命分析步骤 372

10.7.3 算例 3722100433B

疲劳破坏是结构的主要失效形式，因此结构的疲劳强度和疲劳寿命是结构性能研究的主要内容之一。《结构疲劳寿命分析》系统阐述了结构疲劳寿命分析的基本原理、方法和过程。主要包括金属材料的疲劳性能、疲劳载荷谱、影响结构疲劳性能的主要因素、疲劳累积损伤理论、估算结构疲劳寿命的名义应力法、局部应力应变法和应力应变场强法、多轴疲劳、振动疲劳等内容。《结构疲劳寿命分析》的特点是围绕结构疲劳寿命估算，系统地介绍了所需的材料性能、估算原理、估算方法和估算步骤，并给出了丰富的算例和工程实例。

在循环加载下，产生疲劳破坏所需的应力和应变循环数成为疲劳寿命。对实际构件疲劳寿命常以工作小时计。构件在出现工程裂纹以前的疲劳寿命称为裂纹形成寿命或裂纹起始寿命。工程裂纹指宏观可见或可检的裂纹，其长度无统一规定，一般在0.2--1毫米范围内。自工程裂纹扩展至完全断裂的疲劳寿命称为裂纹扩展寿命。总寿命时二者之和。