基于小时间尺度原位试验的疲劳小裂纹扩展机理研究和寿命预测

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51875019
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0504.机械结构强度学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Fatigue life prediction of metallic structural material is a relatively old subject in aeronautical field. A fatigue life prediction method has been mainly established by describing the process of long crack propagation and fracture based on Liner Elastic Fracture Mechanics (LEFM). People make good efforts to extend this approach to the smaller crack size. The small crack is of great significance, because in the most structural materials the flaws always exist, which can work as the initial small crack, and its propagation usually consumes the major fatigue life. However, due to the small crack effects, the LEFM theory cannot be directly used to analyze the small crack growth. Furthermore, the intrinsic quantitative relationship between the micro-mechanisms and the instantaneous crack growth is still not clear. It is difficult to establish a physical model of the small crack growth. So, the fatigue life evaluation involving the small crack and variable amplitude loading is a big challenge. In this project, the state-of-the-art experimental techniques (In-Situ SEM/Optical Microscopy Fatigue Crack Growth Testing) are performed to investigate fatigue small crack growth mechanisms and behaviors at a small time scale within one load cycle. Then, the small crack growth physical model can be built up based on the analysis of the experimental observations. Combining the previous progress of long crack growth model, the whole fatigue life prediction model can be derived. Finally, the study on fatigue life distribution prediction is conducted, considering the uncertainties of initial flaws, material properties, and loading spectra.
在航空领域中,金属结构材料的疲劳寿命预测问题由来已久,人们已基本建立了利用线弹性断裂力学理论描述长裂纹扩展直至断裂过程的寿命预测方法,并始终致力于把这种方法向更小的裂纹尺寸延伸。小裂纹的问题尤为重要,因为结构材料内不可避免的含有可视为小裂纹的初始缺陷,而小裂纹扩展消耗绝大部分的疲劳寿命。然而,由于“小裂纹效应”的影响,线弹性断裂力学分析无法直接应用于小裂纹的扩展,而且其微观机理以及与裂纹增量之间的定量关系尚不明确,物理模型难以建立,变幅载荷下小裂纹扩展寿命评估面临挑战。本项目采用先进的小时间尺度原位试验技术,开展变幅载荷下扫描电镜和光学显微镜疲劳试验,揭示金属疲劳小裂纹在一个载荷周期内瞬时的行为和机理。分析试验结果,建立小裂纹扩展物理模型,结合申请人在前期研究中建立的长裂纹扩展建模,推导疲劳全寿命预测模型。最后,考虑材料参数、初始缺陷以及载荷的不确定性,进行疲劳寿命预测方法研究。

结项摘要

项目针对小裂纹效应现象,以基于断裂力学的金属结构疲劳寿命预测方法为工程需求背景,采用试验、数值、理论分析结合的方法对小裂纹扩展行为进行深入的研究。从小时间尺度揭示裂纹在恒幅/变幅载荷下的裂纹扩展规律,进而建立统一的长短裂纹扩展模型,形成疲劳寿命/概率疲劳寿命预测方法。. 项目建立了一套小时间尺度原位疲劳试验方法,使用SEM和光学显微镜,可分别实现一个加载周期内的裂尖形貌和裂尖塑性区实时测量。试验观察到了过载前的裂纹闭合现象及过载后的瞬时加速和延迟迟滞现象。获得了过载前后裂尖物理量的变化,揭示了过载后的瞬时加速和延迟迟滞现象的机理;使用数值仿真模型,分析了疲劳裂尖塑性区演化过程和残余应力对裂纹扩展行为的影响;在以上机理分析的基础上,考虑小裂纹阶段裂纹闭合的演化和微观结构差异性,建立了以CTOD为驱动因子的长短裂纹统一的扩展模型,并采用多种材料不同载荷的试验数据进行了验证,取得了令人满意的结果。最后,基于基于Bootstrap和裂纹扩展模型,建立了考虑材料、初始缺陷和载荷不确定性的概率疲劳寿命评估模型。. 项目完成了整个研究内容,达到了研究目的,在变幅载荷下裂纹扩展机理研究和小裂纹扩展建模方面,取得较为突出的进展,形成的方法可用于损伤容限分析和全寿命评估。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
In-situ microscopy testing of plasticity variation ahead of fatigue crack tip in AL2024-T3
AL2024-T3 疲劳裂纹尖端塑性变化的原位显微镜测试
  • DOI:
    10.1007/s10704-018-00340-y
  • 发表时间:
    2019-03-01
  • 期刊:
    INTERNATIONAL JOURNAL OF FRACTURE
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Zhang, Wei;Cai, Liang;Sun, Fuqiang
  • 通讯作者:
    Sun, Fuqiang
Uncertainty theory based reliability modeling for fatigue
基于不确定性理论的疲劳可靠性建模
  • DOI:
    10.1016/j.engfailanal.2020.104931
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    ENGINEERING FAILURE ANALYSIS
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Li Xiao-Yang;Tao Zhao;Wu Ji-Peng;Zhang Wei
  • 通讯作者:
    Zhang Wei
The in-situ testing and modeling on sealing strength deterioration of lithium-ion pouch cell
锂离子软包电池密封强度劣化的原位测试与建模
  • DOI:
    10.1016/j.engfailanal.2020.105036
  • 发表时间:
    2020-10
  • 期刊:
    ENGINEERING FAILURE ANALYSIS
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Zhang W.;Wei Y. C.;Cheng M. X.;Liu Y. M.;Sun H.
  • 通讯作者:
    Sun H.
A hybrid approach of modified bootstrap and physics-based methods for probabilistic fatigue life prediction considering overload effects
考虑过载效应的改进引导程序和基于物理的概率疲劳寿命预测方法的混合方法
  • DOI:
    10.1016/j.probengmech.2022.103343
  • 发表时间:
    2022-07
  • 期刊:
    Probabilistic Engineering Mechanics
  • 影响因子:
    2.6
  • 作者:
    Shan Jiang;Wei Zhang
  • 通讯作者:
    Wei Zhang
A unified prediction model for physically small crack and long crack growth based on modified CTOD
基于修正CTOD的物理小裂纹和长裂纹扩展统一预测模型
  • DOI:
    10.1016/j.engfracmech.2022.108650
  • 发表时间:
    2022-07
  • 期刊:
    Engineering Fracture Mechanics
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Wei Zhang;Lindong Chai;Luping Ren;Liang Cai
  • 通讯作者:
    Liang Cai

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跨声速机翼阵风减缓研究
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    --
  • 发表时间:
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  • 期刊:
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    --
  • 作者:
    张慰;张伟伟;全景阁;叶正寅
  • 通讯作者:
    叶正寅
外生菌根缓解植物酸雨胁迫的机理研究进展
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    生态学杂志
  • 影响因子:
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  • 作者:
    张慰;陈展;邓仕槐;尚鹤
  • 通讯作者:
    尚鹤

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张慰的其他基金

基于多尺度原位试验和小裂纹理论的腐蚀疲劳机理研究和寿命预测
  • 批准号:
    52375139
  • 批准年份:
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    面上项目
多尺度疲劳裂纹扩展机理研究和建模
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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