金属材料超高周疲劳寿命分布和元件高可靠性研究

论文摘要

从1963年Paris法则被提出以后的半个多世纪以来,在金属疲劳的研究中未能出现过崭新的概念。在现代航空航天、交通运输、能源动力等领域内,工程机械的运行速度和服役寿命不断提高,许多关键零部件经常面临着高频低幅循环载荷,承受重复载荷高达1091012个应力循环,超长寿命和高可靠度设计指标越来越受到研究人员的重视。目前对于超高周疲劳的研究还处于起步阶段,只限于对超高周疲劳行为的定性描述。因此,对材料的超高周疲劳寿命分布形式以及结构元件的高可靠性分析进行研究具有重要的理论意义和实际应用价值。本文采用试验和理论相结合的研究方法,弱化高频低载的幅值变化影响,进行常幅对称拉压超声疲劳试验,从超高周疲劳寿命分布和元件高可靠性分析两个方面进行了深入研究。对LC4CS铝合金光滑漏斗形试件进行了超长寿命条件疲劳极限测定和大样本全寿命超高周疲劳寿命试验,试验数据和试验件断口分析显示超高周疲劳断裂具有双重失效机制,建立了超高周疲劳寿命分布的混合模型,进而在极值分析的基础上提出了截尾试验数据分析的极值模型,试验验证的结果表明,本文提出的超高周疲劳寿命分布混合模型在物理上能反映超高周疲劳破坏机理,在统计上能对超高周寿命分布给出正确描述;截尾数据极值模型不易受结尾点的影响,能更大程度的缩短试验时间,对于超高周疲劳寿命试验研究具有重要的实际意义。从可靠性分析模型和随机变量概率描述两方面对元件的高可靠性分析进行了理论研究:从安全余量的定义出发,提出了结构元件疲劳可靠度估算的剩余寿命模型和应力强度因子模型;对现有的经验频率函数进行分类和评述,根据随机变量顺序统计量的分布特征,给出了基于尾部分布的经验频率函数,对于中小样本随机变量的假设分布检验具有更加严格的证伪逻辑意义,减少了高可靠性描述中的统计误差。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 金属材料超高周疲劳研究现状
• 1.2.1 超高周疲劳试验方法研究
• 1.2.2 超高周疲劳行为研究
• 1.3 元件高可靠性研究现状
• 1.3.1 可靠性分析模型
• 1.3.2 随机变量概率描述
• 1.4 本文研究内容和意义
• 第二章 结构元件疲劳可靠度估算模型
• 2.1 引言
• 2.2 剩余寿命模型
• 2.2.1 估算元件疲劳可靠性的剩余寿命模型
• 2.2.2 变幅载荷下疲劳剩余寿命的分布
• 2.2.3 算例分析
• 2.2.4 结论
• 2.3 应力强度因子模型
• 2.3.1 基于应力强度因子的可靠性分析模型
• 2.3.2 常幅载荷下裂纹长度的分散性
• 2.3.3 常幅载荷下应力强度因子的分散性
• 2.3.4 可靠性分析模型
• 2.3.5 算例分析
• 2.3.6 结论
• 第三章 超高周疲劳寿命试验
• 3.1 引言
• 3.2 试验系统
• 3.3 试验设计
• 3.3.1 试验目的
• 3.3.2 试验材料
• 3.3.3 试验件
• 3.4 试验结果
• 3.4.1 条件疲劳极限试验
• 3.4.2 寿命分布试验
• 3.5 LC4CS 疲劳试验数据比较
• 3.6 小结
• 第四章 经验频率函数
• 4.1 引言
• 4.2 经验频率函数评述
• 4.2.1 基于构造的分类评述
• 4.2.2 基于应用的分类评述
• 4.2.3 经验频率函数评述结论
• 4.3 基于尾部分布的经验频率公式
• 4.3.1 尾部顺序统计量失效概率分布特性
• 4.3.2 尾部经验频率函数TEFF
• 4.3.3 TEFF 的简化
• 4.4 基于尾部分布的拟合优度检验
• 4.4.1 TEFF 检验统计量
• 4.4.2 分布无关的检验功效比较
• 4.5 小结
• 第五章 结构元件超高周疲劳寿命分布模型
• 5.1 引言
• 5.2 VHF 寿命分布模型研究现状
• 5.3 VHF 寿命分布的混合模型
• 5.3.1 试验结果分析
• 5.3.2 VHF 失效机制
• 5.3.3 裂纹萌生寿命分布模型
• 5.3.4 混合模型
• 5.4 试验验证
• 5.5 小结
• 第六章 尾部疲劳寿命预测模型
• 6.1 引言
• 6.2 几个常用的截尾分析模型
• 6.3 基于极值的有界分布模型
• 6.3.1 极值分布
• 6.3.2 极值模型
• 6.4 截尾经验频率函数
• 6.5 算例分析
• 6.5.1 高周疲劳寿命算例
• 6.5.2 超高周疲劳寿命算例
• 6.6 结论
• 第七章 结论和展望
• 7.1 全文结论
• 7.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的论文和研究成果
• 附录