疲勞損傷容限分析

損傷容限分析包括剩余強(qiáng)度分析和損傷增長(zhǎng)分析。剩余強(qiáng)度分析方法，迄今只有含各種缺陷試樣的拉伸剩余強(qiáng)度和含穿透缺陷的厚試樣(破壞前不失穩(wěn))的壓縮剩余強(qiáng)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(qiáng)度估算，可用基于層間應(yīng)變能釋放率的“分層斷裂力學(xué)”來(lái)解決，但這種方法仍處在研究階段。而對(duì)損傷增長(zhǎng)速率的分析，至今仍沒(méi)有可靠的方法。因此，對(duì)這些問(wèn)題，主要是借助多層次的試驗(yàn)加以解決。

分析中通常采用的簡(jiǎn)化原則包括以下兩點(diǎn)。

①所有分層簡(jiǎn)化為直徑與實(shí)際缺陷最大長(zhǎng)度尺寸相當(dāng)?shù)膱A形分層；

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

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為了擺脫沖擊所帶來(lái)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(jì)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(wú)法得到發(fā)揮。實(shí)際上，雖然復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造和使用過(guò)程中遇到外來(lái)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(qiáng)度而限制所有未受沖擊的結(jié)構(gòu)部位的工作應(yīng)變，因?yàn)檫@顯然是不合理的，也是過(guò)于保守的。當(dāng)然，問(wèn)題

出在遭受沖擊的部位的隨機(jī)性和不確定性上。為了提高設(shè)計(jì)許用應(yīng)變，一個(gè)很有希望的途徑是，在確定設(shè)計(jì)許用應(yīng)變值時(shí)暫不考慮沖擊這個(gè)因素，而把沖擊損傷直接引人到結(jié)構(gòu)中去設(shè)計(jì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。然后，考慮到遭受沖擊的部位的隨機(jī)性，把沖擊損傷引入到結(jié)構(gòu)中的最危險(xiǎn)部位，這對(duì)設(shè)計(jì)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(yàn)證顯得尤為重要。

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(kuò)展，這種損傷是一個(gè)累積的過(guò)程。

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

疲勞損傷評(píng)定應(yīng)考慮：

(1)適用的剩余強(qiáng)度，包括多部位疲勞損傷的影響。

(2)適用的裂紋擴(kuò)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(kuò)展間隔相關(guān)的損傷檢測(cè)期。疲勞損傷擴(kuò)展間隔是從首次檢測(cè)時(shí)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(cè)期隨著所應(yīng)用的檢查方法及檢測(cè)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(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

(5)適用的檢查等級(jí)和方法(如目視、無(wú)損檢測(cè))，方位(如外部、內(nèi)部檢查)及重復(fù)檢查問(wèn)隔。

疲勞是零件由于循環(huán)載荷引起的局部損傷的過(guò)程，是一個(gè)由包括零件裂紋萌生、擴(kuò)展和最終斷裂等組成的累積過(guò)程所導(dǎo)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(kuò)展。隨著零件所承受的加載循環(huán)次數(shù)不斷增加，裂紋長(zhǎng)度(損傷)隨之增加。在達(dá)到一定循環(huán)次數(shù)之后，裂紋將導(dǎo)致零件失效(斷裂)。

通常，疲勞過(guò)程可以觀察到裂紋成核、微觀裂紋擴(kuò)展、宏觀裂紋擴(kuò)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(guò)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(huì)沿著最大切應(yīng)力面并通過(guò)晶粒邊界擴(kuò)展。

在工程應(yīng)用中，將零件在裂紋成核和微觀裂紋擴(kuò)展期間的壽命長(zhǎng)度稱為裂紋萌生階段，而將零件在宏觀裂紋擴(kuò)展期間的壽命長(zhǎng)度稱為裂紋擴(kuò)展階段。通常，對(duì)從萌生到擴(kuò)展的過(guò)渡階段無(wú)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(shí)間耗費(fèi)在裂紋擴(kuò)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(huì)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(kuò)展開來(lái)的樣子，通常呈輻射狀，留下一個(gè)半橢圓形的圖案。在某些情況下，通過(guò)檢測(cè)裂紋部位所遺留海灘斑紋的尺寸和位置，可以識(shí)別裂紋擴(kuò)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(gè)加載循環(huán)期間裂紋擴(kuò)展的范圍。與樹類似，樹每年長(zhǎng)一圈，而疲勞損傷則在每個(gè)加載循環(huán)產(chǎn)生一個(gè)圈。在發(fā)生疲勞失效時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最終的剪切裂痕，這是材料在失效之前對(duì)載荷的最后一點(diǎn)支撐。切變裂痕的尺寸取決于加載的類型、材料和其他條件。

試驗(yàn)完成后由試驗(yàn)承擔(dān)單位編寫疲勞和損傷容限試驗(yàn)的試驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告包括試驗(yàn)總情況及進(jìn)展情況，其主要內(nèi)容為：

①試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)依據(jù)及試驗(yàn)進(jìn)展情況；

②試驗(yàn)方法、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)載荷譜、加載方法；

③試驗(yàn)結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)中出現(xiàn)的故障或損傷及對(duì)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(diǎn)．裂紋擴(kuò)展規(guī)律；

④剩余強(qiáng)度試驗(yàn)載荷、結(jié)論；

⑤試驗(yàn)件修理情況；

⑥試驗(yàn)結(jié)果、結(jié)論，對(duì)批量生產(chǎn)件必須更改的建}義，對(duì)各種特殊破壞進(jìn)行討論，報(bào)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(guò)程，也就是通常所說(shuō)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(guò)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(gè)累積的過(guò)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(shí)際的性能劣化機(jī)理，使用S－N 曲線或類似的圖，提供若干疲勞破壞準(zhǔn)則；第二類是剩余剛度或剩余強(qiáng)度的表象模型；第三類是損傷發(fā)展模型，使用一個(gè)或多個(gè)可測(cè)的能衡量損傷情況的變量。2100433B

本課題針對(duì)巖石開挖工程廣泛關(guān)注的爆區(qū)附近圍巖穩(wěn)定問(wèn)題,開展重復(fù)爆破荷載條件下巖石動(dòng)態(tài)疲勞損傷特性研究。通過(guò)設(shè)計(jì)一套實(shí)現(xiàn)重復(fù)爆破荷載加載試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，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(qiáng)度變化規(guī)律，將裂紋擴(kuò)展規(guī)律和疲勞累積損傷演化統(tǒng)一起來(lái)，定義與多次爆破載荷相對(duì)應(yīng)的疲勞損傷因子；并進(jìn)一步分析研究疲勞參數(shù)對(duì)巖石疲勞劣化的機(jī)理和對(duì)巖石疲勞損傷壽命的影響。通過(guò)編制XFEM（擴(kuò)展有限元）程序?qū)r石動(dòng)態(tài)疲勞損傷特性、斷裂特性和裂紋擴(kuò)展進(jìn)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(xué)依據(jù)和實(shí)用手段。