疲勞損傷機理

疲勞是零件由于循環(huán)載荷引起的局部損傷的過程，是一個由包括零件裂紋萌生、擴展和最終斷裂等組成的累積過程所導致產(chǎn)生的綜合結(jié)果。在循環(huán)加載期間，在最高應(yīng)力區(qū)域發(fā)生局部塑性變形，這種塑性變形引起零件的永久損傷和裂紋擴展。隨著零件所承受的加載循環(huán)次數(shù)不斷增加，裂紋長度(損傷)隨之增加。在達到一定循環(huán)次數(shù)之后，裂紋將導致零件失效(斷裂)。

通常，疲勞過程可以觀察到裂紋成核、微觀裂紋擴展、宏觀裂紋擴展和最終斷裂四階段。

裂紋在接近高應(yīng)力集中的局部剪切面上開裂，如穩(wěn)定滑移帶、夾雜物、疏松或晶粒不連續(xù)分布等，局部剪切面通常發(fā)生在晶粒表面或邊界之內(nèi)。在這一階段，裂紋成核是疲勞過程的第一步。一旦裂紋成核并且持續(xù)施加循環(huán)載荷，裂紋就會沿著最大切應(yīng)力面并通過晶粒邊界擴展。

在工程應(yīng)用中，將零件在裂紋成核和微觀裂紋擴展期間的壽命長度稱為裂紋萌生階段，而將零件在宏觀裂紋擴展期間的壽命長度稱為裂紋擴展階段。通常，對從萌生到擴展的過渡階段無法做出精確的定義。鋼制零件的裂紋萌生階段一般占其疲勞壽命的大部分，特別是在高周疲勞狀態(tài)下(約大于10000次循環(huán))。在低周疲勞狀態(tài)下(約小于10000次循環(huán))，疲勞壽命的大部分時間耗費在裂紋擴展。

一旦裂紋形成或者發(fā)生完全失效，就可以檢查到疲勞失效的表面。彎曲或軸向疲勞失效通常會留下蛤殼狀或海灘狀斑紋，這些斑紋的名稱源自斷裂表面的形貌特征。裂紋成核區(qū)域位于殼的中央，裂紋像是從裂紋成核所在區(qū)域擴展開來的樣子，通常呈輻射狀，留下一個半橢圓形的圖案。在某些情況下，通過檢測裂紋部位所遺留海灘斑紋的尺寸和位置，可以識別裂紋擴展開始或者結(jié)束的不同階段。海灘斑紋的線條呈條紋狀與樹干橫斷面的年輪線相似。這些條紋狀呈現(xiàn)出在一個加載循環(huán)期間裂紋擴展的范圍。與樹類似，樹每年長一圈，而疲勞損傷則在每個加載循環(huán)產(chǎn)生一個圈。在發(fā)生疲勞失效時，會出現(xiàn)一個最終的剪切裂痕，這是材料在失效之前對載荷的最后一點支撐。切變裂痕的尺寸取決于加載的類型、材料和其他條件。

疲勞損傷(Fatigue Damage，F(xiàn)D)是由于循環(huán)載荷引起的裂紋起始及其持續(xù)擴展，這種損傷是一個累積的過程。

以飛機為例，與飛機的使用情況(飛行小時或起落次數(shù))有關(guān)。必須制訂一個檢查要求，以保證在由于某種疲勞損傷造成任何飛機的剩余強度低于允許水平之前，提供探測疲勞損傷的最大可能性。

疲勞損傷評定應(yīng)考慮：

(1)適用的剩余強度，包括多部位疲勞損傷的影響。

(2)適用的裂紋擴展率，包括多部位或多元件疲勞損傷的影響。

(3)與疲勞損傷擴展間隔相關(guān)的損傷檢測期。疲勞損傷擴展間隔是從首次檢測時間(門檻值)到所規(guī)定極限尺寸(臨界的)之間的間隔。損傷檢測期隨著所應(yīng)用的檢查方法及檢測概率而變化，并受結(jié)構(gòu)部件或工藝的影響(如密封膠遮蓋住損傷部位)。

(4)檢查方法的檢測標準。

(5)適用的檢查等級和方法(如目視、無損檢測)，方位(如外部、內(nèi)部檢查)及重復(fù)檢查問隔。

損傷容限分析包括剩余強度分析和損傷增長分析。剩余強度分析方法，迄今只有含各種缺陷試樣的拉伸剩余強度和含穿透缺陷的厚試樣(破壞前不失穩(wěn))的壓縮剩余強度工程估算方法。含其他缺陷(例如以分層為主要特征的沖擊損傷)試樣的壓縮剩余強度估算，可用基于層間應(yīng)變能釋放率的“分層斷裂力學”來解決，但這種方法仍處在研究階段。而對損傷增長速率的分析，至今仍沒有可靠的方法。因此，對這些問題，主要是借助多層次的試驗加以解決。

分析中通常采用的簡化原則包括以下兩點。

①所有分層簡化為直徑與實際缺陷最大長度尺寸相當?shù)膱A形分層；

②至少有一層纖維斷裂的各種缺陷/損傷，簡化為直徑與實際缺陷/損傷面內(nèi)最大長度尺寸相當?shù)膱A孔。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為了擺脫沖擊所帶來的威脅，以沖擊壓縮破壞曲線的門檻值為基礎(chǔ)確定其設(shè)計許用應(yīng)變。其結(jié)果是不得不把復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)變限制在很低的水平上，使復(fù)合材料的潛力無法得到發(fā)揮。實際上，雖然復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造和使用過程中遇到外來物沖擊是不可避免的，但終究這種沖擊是局部的。不應(yīng)該為保證這一局部的強度而限制所有未受沖擊的結(jié)構(gòu)部位的工作應(yīng)變，因為這顯然是不合理的，也是過于保守的。當然，問題

出在遭受沖擊的部位的隨機性和不確定性上。為了提高設(shè)計許用應(yīng)變，一個很有希望的途徑是，在確定設(shè)計許用應(yīng)變值時暫不考慮沖擊這個因素，而把沖擊損傷直接引人到結(jié)構(gòu)中去設(shè)計復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。然后，考慮到遭受沖擊的部位的隨機性，把沖擊損傷引入到結(jié)構(gòu)中的最危險部位，這對設(shè)計是偏安全的。這樣就把沖擊影響限制在局部范圍內(nèi)，使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以在整體上大大提高其工作應(yīng)變，這必將大幅度減輕結(jié)構(gòu)重量。

鑒于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分析方法還不夠成熟，分析的精度還不能令人滿意，因此，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的完整性驗證顯得尤為重要。

試驗完成后由試驗承擔單位編寫疲勞和損傷容限試驗的試驗報告，報告包括試驗總情況及進展情況，其主要內(nèi)容為：

①試驗?zāi)康?、試驗?nèi)容、試驗依據(jù)及試驗進展情況；

②試驗方法、試驗設(shè)備、試驗載荷譜、加載方法；

③試驗結(jié)構(gòu)在試驗中出現(xiàn)的故障或損傷及對應(yīng)的載荷循環(huán)數(shù)，損傷的部位及尺寸大小、方向和起止點．裂紋擴展規(guī)律；

④剩余強度試驗載荷、結(jié)論；

⑤試驗件修理情況；

⑥試驗結(jié)果、結(jié)論，對批量生產(chǎn)件必須更改的建}義，對各種特殊破壞進行討論，報告

附略圖及照片。2100433B

所謂結(jié)構(gòu)疲勞損傷，是指由于重復(fù)荷載作用而引起的結(jié)構(gòu)材料性能衰減的過程，也就是通常所說的疲勞裂紋的發(fā)生、發(fā)展、形成宏觀裂紋、發(fā)生破壞的全過程。疲勞損傷與普通損傷的最大區(qū)別在于隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞中的損傷存在一個累積的過程。

有關(guān)復(fù)合材料的疲勞損傷模型大致可以分為三類：第一類模型不考慮實際的性能劣化機理，使用S－N 曲線或類似的圖，提供若干疲勞破壞準則；第二類是剩余剛度或剩余強度的表象模型；第三類是損傷發(fā)展模型，使用一個或多個可測的能衡量損傷情況的變量。2100433B

本課題針對巖石開挖工程廣泛關(guān)注的爆區(qū)附近圍巖穩(wěn)定問題,開展重復(fù)爆破荷載條件下巖石動態(tài)疲勞損傷特性研究。通過設(shè)計一套實現(xiàn)重復(fù)爆破荷載加載試驗裝置進行試驗，研究重復(fù)爆破荷載彈性波作用下巖體疲勞損傷特征、裂紋分形演化和疲勞強度變化規(guī)律，將裂紋擴展規(guī)律和疲勞累積損傷演化統(tǒng)一起來，定義與多次爆破載荷相對應(yīng)的疲勞損傷因子；并進一步分析研究疲勞參數(shù)對巖石疲勞劣化的機理和對巖石疲勞損傷壽命的影響。通過編制XFEM（擴展有限元）程序?qū)r石動態(tài)疲勞損傷特性、斷裂特性和裂紋擴展進行數(shù)值模擬研究，為巖石開挖工程圍巖安全控制提供科學依據(jù)和實用手段。