本书针对航空发动机镍基单晶高温合金材料，系统开展原始疲劳质量评估研究。全书共8章，主要涉及原始疲劳质量评估理论、疲劳裂纹原位测试技术、叶片应力集中部位疲劳寿命预测与强度评估，从材料级、模拟件级、叶片级全方位总结原始疲劳质量评估方法和疲劳寿命预测框架，旨在为工程实践提供先进的设计理论、方法和应用技术参考。
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国家自然科学基金：发动机涡轮单晶叶片寿命分析和晶体取向优化设计
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 航空发动机涡轮叶片概述 1
1.1.1 涡轮叶片重要性及工作原理 1
1.1.2 涡轮进口温度提升需求与性能参数的影响 2
1.1.3 涡轮叶片冷却结构发展 5
1.1.4 涡轮叶片材料的发展 9
1.2 镍基单晶高温合金结构完整性与强度寿命 13
1.2.1 镍基单晶高温合金的生产制造 13
1.2.2 涡轮叶片主要缺陷及其对强度寿命的影响 16
1.3 疲劳设计的损伤容限法 23
1.4 原始疲劳质量评估的关键科学问题 25
参考文献 28
第2章 表面形貌对镍基单晶高温合金疲劳性能影响研究 34
2.1 引言 34
2.2 试验方法与结果 35
2.2.1 试验材料及方法 35
2.2.2 试验结果 37
2.3 表面微观形貌弹性等效简化模型 46
2.3.1 等效理论 46
2.3.2 三维表面计算模型 47
2.3.3 表面粗糙度的等效简化模型 52
2.3.4 等效结果对比 54
2.3.5 应力集中系数与表面粗糙度关联 57
2.4 考虑表面粗糙度的疲劳寿命预测分析 60
2.4.1 晶体塑性理论 60
2.4.2 基于晶体塑性理论的疲劳损伤模型 63
2.4.3 弹塑性拉伸等效 66
2.4.4 不同表面粗糙度的疲劳寿命预测 68
2.5 本章小结 74
参考文献 75
第3章 不同制孔工艺下镍基单晶气膜孔裂纹萌生与扩展行为 77
3.1 引言 77
3.2 疲劳裂纹扩展试验 78
3.2.1 材料和试件 78
3.2.2 试验方法与步骤 79
3.3 试验结果分析 81
3.3.1 气膜孔表面质量分析 81
3.3.2 气膜孔孔边力学性能测试 86
3.3.3 典型裂纹扩展路径及断裂形貌 90
3.4 不同制孔工艺下疲劳影响因素定量分析 93
3.4.1 主滑移系的确定 93
3.4.2 制孔锥度的影响 99
3.4.3 再铸层的影响 101
3.4.4 残余应力的影响 103
3.5 裂纹萌生与扩展机制 105
3.6 本章小结 107
参考文献 107
第4章 基于TTCI法的原始疲劳质量评估理论 110
4.1 引言 110
4.2 EIFS评估理论 111
4.2.1 初始缺陷尺寸 111
4.2.2 当量初始裂纹尺寸概率分布 112
4.2.3 随机裂纹扩展概率描述与EIFS 分布更新 119
4.2.4 安全断裂长度的确定 126
4.3 安全断裂疲劳寿命预测框架与试验算例 129
4.3.1 安全断裂疲劳寿命预测框架 129
4.3.2 不同温度下疲劳裂纹扩展试验 130
4.3.3 EIFS 求解与疲劳全寿命预测 131
4.4 本章小结 141
参考文献 142
第5章 考虑初始损伤的气膜孔结构低周疲劳寿命预测 144
5.1 引言 144
5.2 EIFS确定方法 145
5.2.1 疲劳强度与疲劳裂纹萌生之间的联系 145
5.2.2 塑性区大小 151
5.3 材料与试验 156
5.4 EIFS 计算流程与结果 159
5.4.1 两种试件的疲劳极限确定与分析 159
5.4.2 应力强度因子 162
5.4.3 两种应力强度因子门槛值 171
5.4.4 EIFS计算结果 174
5.5 裂纹扩展率与疲劳寿命预测 177
5.6 本章小结 183
参考文献 184
第6章 不同温度下气膜孔结构低周疲劳寿命预测 188
6.1 引言 188
6.2 通用EIFS 确定方法 189
6.2.1 不同应力集中EIFS 求解模型 189
6.2.2 镍基单晶小裂纹扩展闭合效应 196
6.2.3 镍基单晶裂纹扩展驱动力描述模型 198
6.2.4 概率疲劳寿命预测 201
6.3 材料与试验 203
6.4 气膜孔裂纹扩展行为与疲劳寿命预测 205
6.4.1 裂纹扩展路径与萌生断裂机理 205
6.4.2 应力强度因子的有限元求解 207
6.4.3 EIFS分布的确定 208
6.4.4 不同温度下疲劳寿命的确定 218
6.5 本章小结 225
参考文献 226
第7章 不同倾角气膜孔结构疲劳寿命预测 229
7.1 引言 229
7.2 材料与试验 230
7.2.1 材料与试件 230
7.2.2 试验步骤与断裂试件 232
7.3 飞秒脉冲激光三维螺旋制孔数值仿真 232
7.3.1 三维螺旋制孔过程固-液-气三相统一模型 232
7.3.2 制孔过程热弹性应力模型 236
7.4 考虑裂纹几何的镍基单晶裂纹扩展驱动力 238
7.4.1 应力强度因子的求解 238
7.4.2 单晶复合型裂纹扩展准则 241
7.4.3 孔边应力强度因子求解模型 243
7.5 气膜孔结构疲劳失效机理与断裂模型 245
7.5.1 不同倾角孔边温度场与应力场 245
7.5.2 裂纹扩展路径与断口形貌 248
7.5.3 气膜孔结构断裂特性 251
7.5.4 裂纹扩展率与疲劳寿命预测 254
7.6 本章小结 260
参考文献 261
第8章 考虑制造初始状态镍基单晶涡轮叶片可靠性分析 264
8.1 引言 264
8.2 镍基单晶涡轮叶片随机变量概率分布特征 265
8.2.1 气膜孔几何参数概率分布特征 265
8.2.2 晶体取向概率分布特征 268
8.2.3 材料参数概率分布特征 270
8.2.4 载荷概率分布特征 271
8.3 镍基单晶涡轮叶片可靠性分析 271
8.3.1 可靠性分析步骤 271
8.3.2 涡轮叶片气膜孔几何参数偏差可靠性分析 276
8.3.3 涡轮叶片晶体取向偏差可靠性分析 281
8.3.4 涡轮叶片材料参数可靠性分析 283
8.3.5 涡轮叶片载荷可靠性分析 285
8.3.6 基于近似模型的涡轮叶片可靠性分析 286
8.4 镍基单晶涡轮叶片可靠性灵敏度分析 292
8.5 本章小结 294
参考文献 295
附录A 晶体取向与裂纹扩展 296
A1 欧拉角定义晶体取向与弹性常数 296
A2 晶体取向与裂纹倾角对裂纹扩展影响 298
参考文献 300
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