材料与结构表面疲劳强化及寿命评估

本书针对典型飞机结构，运用有限元和相关试验技术研究其表面疲劳强化技术与寿命评估方法，主要包括疲劳裂纹形核及扩展机理、几种疲劳强化技术以及疲劳寿命预报方法等几个方面。首先从疲劳裂纹萌生微观机理出发，采用晶体塑性理论对疲劳裂纹形核开展了数值模拟与分析，揭示了疲劳裂纹形核机理及其扩展规律；然后研究了喷丸、冷挤压和压印几种典型的疲劳强化技术及其疲劳强化效果；最终对疲劳裂纹尖端参数进行分析，提出了疲劳裂纹扩展模型和多轴疲劳寿命预测模型，对典型的开孔件和紧固件进行了疲劳裂纹扩展和寿命分析。

闫五柱，西北工业大学副教授，主要研究方向包括材料与结构的疲劳及表面强化、高温材料力学行为研究、增材制造数值模拟及力学性能研究，主持了国家自然科学基金1项、航空科学基金1项、陕西省自然科学基础研究计划1项。先后参与国家自然科学基金2项、国防基础科研、国防型号等项目多项，以第一作者在国内外刊物发表学术论文30余篇，其中以第一作者发表SCI论文13篇，申请发明专利4项，合作出版专著3部。

第1章 绪论 1.1 疲劳问题的起源及发展历程 1.2 影响结构疲劳性能的主要因素 1.2.1 材料静强度的影响 1.2.2 载荷谱的影响 1.2.3 应力集中的影响 1.2.4 试件尺寸的影响 1.2.5 残余应力及表面强化的影响 1.3 研究疲劳问题的背景和意义 1.4 小结 参考文献 第2章 疲劳裂纹形核机制及数值模拟 2.1 疲劳裂纹 2.2 疲劳裂纹形核机制 2.3 疲劳裂纹萌生微观机制的数值模拟 2.3.1 晶体塑性本构 2.3.2 有限元模型 2.3.3 模拟结果与分析 2.4 小结 参考文献 第3章 表面喷丸强化 3.1 喷丸强化工艺 3.1.1 喷丸强化机制 3.1.2 喷丸强化工艺过程 3.2 表面粗糙度对喷丸残余应力场的影响 3.2.1 有限元模型 3.2.2 残余应力分布特征 3.2.3 表面粗糙度对喷丸残余应力的影响 3.2.4 考虑表面粗糙度时弹丸尺寸对残余应力的影响 3.2.5 考虑表面粗糙度时喷丸速度对残余应力的影响 3.3 喷丸过程中的能量转化和残余应力场 3.3.1 喷丸过程中的能量转化 3.3.2 有限元模型 3.3.3 模型验证 3.3.4 靶材力学性能的影响 3.3.5 弹丸速度的影响 3.4 摩擦系数对喷丸中残余应力场的影响 3.4.1 有限元模型 3.4.2 能量守恒 3.4.3 摩擦系数对喷丸摩擦耗散能的影响 3.4.4 摩擦系数对变形能的影响 3.4.5 摩擦系数对喷丸残余应力分布的影响 3.5 疲劳寿命试验 3.5.1 疲劳寿命试验设置 3.5.2 疲劳寿命试验数据对比分析 3.5.3 疲劳断口分析 3.6 小结 参考文献 第4章 表面冷挤压强化 4.1 冷挤压工艺 4.1.1 开缝衬套冷挤压工艺 4.1.2 压合衬套冷挤压工艺 4.1.3 残余应力均匀化工艺 4.2 开缝衬套冷挤压有限元分析 4.2.1 冷挤压孔板残余应力场数学模型 4.2.2 有限元模型 4.2.3 环向应力分布 4.2.4 孔周应力分布 4.3 压合衬套冷挤压有限元分析 4.3.1 材料模型与参数 4.3.2 有限元模型 4.3.3 残余应力分布特征 4.3.4 周向残余应力的影响因素 4.3.5 疲劳寿命预估 4.4 残余应力均匀化工艺的有限元分析 4.4.1 带斜度衬套冷挤压 4.4.2 双向冷挤压 4.5 疲劳寿命试验 4.5.1 疲劳寿命试验设置 4.5.2 疲劳寿命试验结果 4.5.3 疲劳断口分析 4.5.4 疲劳裂纹扩展 4.6 小结 参考文献 第5章 表面压印强化 5.1 压印强化工艺 5.2 有限元分析 5.2.1 材料属性及压印参数 5.2.2 有限元模型 5.2.3 有限元结果分析 5.3 疲劳寿命试验 5.3.1 疲劳寿命试验设置 5.3.2 疲劳寿命试验结果 5.4 小结 第6章 激光冲击强化 6.1 激光冲击强化工艺 6.2 有限元模型 6.2.1 焊接导管的几何尺寸 6.2.2 焊接过程的有限元模拟 6.2.3 激光冲击强化过程的有限元模拟 6.3 有限元结果分析 6.3.1 研究路径的选取 6.3.2 残余应力分布 6.3.3 强化后的变形情况 6.3.4 冲击压力的影响 6.4 小结 参考文献 第7章 搭接件紧固孔的疲劳 7.1 搭接件疲劳寿命试验 7.2 疲劳寿命试验结果分析 7.2.1 疲劳寿命 7.2.2 疲劳断口分析 7.3 有限元模型 7.3.1 模型建立 7.3.2 模型验证 7.4 有限元结果分析 7.4.1 钉排数的影响 7.4.2 载荷传递 7.4.3 搭接件应力分布 7.4.4 孔周应力分布 7.4.5 沉头铆钉表面接触压力分布 7.5 小结 参考文献 第8章 疲劳裂纹尖端参数分析 8.1 引言 8.2 有限元模型 8.3 有限元结果分析 8.3.1 裂尖应力场分布 8.3.2 裂尖塑性应变分布 8.3.3 裂尖面张开位移 8.3.4 应力强度因子和应力比的影响 8.4 小结 参考文献 第9章 疲劳裂纹扩展双参数模型及试验分析 9.1 疲劳裂纹扩展双参数模型 9.2 开孔件疲劳裂纹扩展试验 9.2.1 材料参数 9.2.2 试件与试验装置 9.2.3 试验结果分析 9.3 开孔件疲劳裂纹扩展分析 9.4 小结 参考文献 第10章 多轴疲劳寿命模型及应用 10.1 多轴疲劳寿命预报模型 10.1.1 多轴疲劳理论发展历程 10.1.2 SWT模型 10.1.3 W-B模型 10.1.4 确定临界平面的数值计算方法 10.2 双犬骨试件多轴疲劳寿命预测 10.2.1 疲劳寿命预测 10.2.2 疲劳寿命结果分析 10.3 斜搭接结构紧固孔疲劳寿命预测 10.3.1 疲劳寿命预测 10.3.2 疲劳寿命预测结果 10.4 冷挤压孔多轴疲劳寿命预测 10.4.1 疲劳寿命试验 10.4.2 多轴疲劳寿命预测 10.5 小结 参考文献