熔融沉积成型 (FDM),也称为熔融长丝制造 (FFF),是增材制造领域最成熟的技术之一,由于使用和维护成本低 [1],在低熔点聚合物中广受欢迎。进料材料以长丝形式通过加热喷嘴进料,并逐层沉积在表面上。商用热塑性塑料如丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS)、聚碳酸酯 (PC)、尼龙、聚乳酸 (PLA) 及其组合经常用于生产 FDM 部件 [2]。虽然可以实现高度复杂的几何形状,但这会引发相对于块体材料的三种主要强度降低机制 [3]:(i) 由于空隙导致横截面积减小。仅此一项就已证明对抗拉强度有巨大影响 [4]。(ii) 空隙引起的应力集中。基于这一观察,Xu 和 Leguillon [5] 提出了双缺口空隙模型来解释 3D 打印聚合物的各向异性拉伸强度。(iii)聚合物链的不完全相互扩散。与几何方面无关,这会降低材料本身在细丝边界处的强度 [1] 。这三种现象由大量工艺参数控制,这些参数的强大影响和复杂相互作用超出了我们目前的知识范围,是一个活跃的研究领域。Cuan-Urquizo 等人 [6] 确定了两大类参数,即制造参数(例如喷嘴温度和打印速度)以及结构参数,
长度为一个晶粒直径数量级的解理微裂纹的形成被认为是断裂的初始步骤。假设解理所需的应力集中由厚的滑移带或孪生带提供,并计算这些屈服带的临界宽度。例如,在晶粒半径为 10-2cm 的铁中,临界滑移带宽度为 2 x 10-scm,该值与微裂纹附近的观察结果相一致。裂纹形成的第二阶段涉及微裂纹的半连续扩展,以形成不稳定的宏观裂纹。我们假定平面应变断裂发生在前进裂纹前方的屈服区域形成厚滑移带的条件下。需要做功来扩展初始微裂纹,并且该增量功用于计算线性断裂力学中所需的裂纹扩展力 GC。对于铁,微裂纹扩展力 'y 计算为 5 x 103 达因/厘米,GC 的最小值计算为 2.5 x 106 达因/厘米。这种方法强调了断裂所需的三个条件:1)应力和屈服带宽度的组合足以引起局部解理;2)系统中有足够的机械能来扩展裂纹;3)起始应力的临界值的发展,以便继续裂纹扩展。
太空垃圾已成为太空开发领域的一大问题。具体而言,一种主动清除碎片的方法涉及使用电动系绳系统,该系统利用地磁通量和等离子体电子之间的相互作用。在各种系绳中,带状系绳在碎片清除任务中表现出优异的生存能力。然而,碎片碰撞造成的损伤孔边缘可能会产生应力集中,导致裂纹扩展和系绳断裂。在此,我们提出了一种铝玻璃布带 (ALGC) 系绳,其中应力分布均匀。为了模拟太空垃圾与系绳的碰撞,在 ISAS/JAXA 使用两级轻气枪进行了超高速撞击实验。首先,测量并比较两种类型的系绳(ALGC 系绳和标准铝带系绳)的圆形或椭圆形损伤孔的长度。接下来,根据拉力定义它们的断裂特性。此外,还对铝带系绳进行了碰撞模拟,以便详细了解碎片碰撞。经证实,即使两条系绳的损伤尺寸几乎相等,ALGC 系绳在承受拉力方面也优于铝带系绳。这些多功能 ALGC 系绳克服了铝带系绳的缺点,因此在清除任务期间应具有较高的抗碎片碰撞能力。
1.1.摘要 本最终设计评审 (FDR) 文件概述了加州州立理工大学圣路易斯奥比斯波分校机械工程本科生团队为加州圣玛丽亚的 Safran Seats 公司开展的高级设计项目。该项目最初是设计、制造和测试通用附件,以将宽体商务舱座椅固定到具有不同座椅轨道几何形状的七种飞机模型上。目标是设计、记录和创建符合设计、重量和制造要求并通过静态 9G FWD 测试的成品。结构分析、制造分析、FEA 和 CAD 组件也将移交给 Safran,作为交付最终原型的最后一步。此外,将完成并总结结构部件的任何必要的弯曲、扭转和应力集中分析。由于加利福尼亚州爆发 COVID-19 疫情,交付成果必须进行修改,因为团队不再被允许在 Safran 设施内完成物理原型并进行最终的 9G 测试。本文档描述了项目的完整时间表,包括背景研究、项目要求、预期的最终交付成果、概念构思和初步概念设计、最终设计和支持分析、所有组件的制造计划、设计验证的计划测试以及项目的后续步骤。此外,它概述了自发布关键设计审查 (CDR) 文件以来的进展情况,以及由于 COVID-19 疫情和就地避难命令而修改的交付成果。
1 索尔兹伯里大教堂的弯曲砌体柱。2 裂纹尖端的应力集中(由 Richard Chaplin 博士提供)。3 圆柱形气球中的“动脉瘤”。4 动脉壁组织切片(由 Julian Vincent 博士提供)。5 提林斯的带托梁的拱顶。6 提林斯的半带托梁的后门。7 剑桥的克莱尔桥(由 F.R.S. Adrian Horridge 教授提供)。8 雅典的奥林匹亚宙斯神庙,9 长臂猿和大猩猩的骨骼。10 梅登黑德铁路桥。11 梅奈悬索桥(由英国土木工程师学会提供)。12 塞文悬索桥(由英国钢铁公司提供)。13 剑桥大学国王学院教堂。14 皇家海军胜利号(由皇家海军胜利号博物馆提供。英国皇家版权)。15 美国栈桥。 16 不列颠尼亚大桥(由英国土木工程师学会提供)。17 和 18 Viomiet 连衣裙(由 Nethercot 夫人和 Vogue 杂志提供)。19 瓦格纳张力场(由 The Fairey Company Ltd 提供)。20 塔科马海峡大桥(由英国土木工程师学会提供)。21 朴茨茅斯砌块机(皇家版权。伦敦科学博物馆)。22 沃森蒸汽游艇(由 G. L. Watson & Co. Ltd 提供)。23 帕台农神庙。24 迈锡尼狮子门。
^^^ Tanabe, Y., 121-139 致密型 (CT), 7,48,65, 104, j - ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^u g, 16, 103, 211 122, 149, 175, 193, 215, 275 ^^^j^^^ ^ L., 5-30 锁孔, 296 j ^ ^ ^ ^ j j ^ ^ j ^ ^ ^^^_^J2 光谱载荷, 246,257,261,297 j^ansgranular, 8,20, 51, 70,91, 107, 稳定性, 19 155^ 30^ 堆垛层错能, 38 转变点, 8, 98 钢透射电子显微镜奥氏体,122(TEM)34 97奥氏体不锈钢,6,16,32,175,y^联合设计,'164'^^孪生,20,56,76铸碳和低合金,142,294铁-镍,6铁-硅,64,106 4340,193Vacas-Oleas,C,140-160,293-312高锰,32,48,121真空,85,182马氏体时效,19真空熔炼,32,48,65温和,43,275Verkin,B.I.,84-101Stephens,R.I.,1-2,140-160, 293- 空洞,158 312,315-320 应变幅,32,35,143 W 应力强度因子 ^ang,C.M.,293-312 闭合(^ci)或打开(/Top),67,^^^^ 预应力,194 ^^' '^^' 2^^^ 焊缝/焊接件,8,122,175,275 有效(A^eff),67,71,181,196,^jj^gj,^ ^ 210-237 283 固有有效(AKett),114 X 阈值(AKth),65,71,87,106,152,174,178,194 ^"'"^y衍射,87 应力集中因子(^t),253,y 296 应力释放,275 屈服强度,34,69,96,142,175 拉伸区,135 Yokobori,T.,121-139 条纹,8,51,87,91,107,155,杨氏模量,7,18,77,97,133,199,287,304 184,220,278 亚晶粒,97 钇,212 取代原子,42 Yu,W.,63-83
^^^ Tanabe, Y., 121-139 致密型 (CT), 7,48,65, 104, j - ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^u g, 16, 103, 211 122, 149, 175, 193, 215, 275 ^^^j^^^ ^ L., 5-30 锁孔, 296 j ^ ^ ^ ^ j j ^ ^ j ^ ^ ^^^_^J2 光谱载荷, 246,257,261,297 j^ansgranular, 8,20, 51, 70,91, 107, 稳定性, 19 155^ 30^ 堆垛层错能, 38 转变点, 8, 98 钢透射电子显微镜奥氏体,122(TEM)34 97奥氏体不锈钢,6,16,32,175,y^联合设计,'164'^^孪生,20,56,76铸碳和低合金,142,294铁-镍,6铁-硅,64,106 4340,193Vacas-Oleas,C,140-160,293-312高锰,32,48,121真空,85,182马氏体时效,19真空熔炼,32,48,65温和,43,275Verkin,B.I.,84-101Stephens,R.I.,1-2,140-160, 293- 空洞,158 312,315-320 应变幅,32,35,143 W 应力强度因子 ^ang,C.M.,293-312 闭合(^ci)或打开(/Top),67,^^^^ 预应力,194 ^^' '^^' 2^^^ 焊缝/焊接件,8,122,175,275 有效(A^eff),67,71,181,196,^jj^gj,^ ^ 210-237 283 固有有效(AKett),114 X 阈值(AKth),65,71,87,106,152,174,178,194 ^"'"^y衍射,87 应力集中因子(^t),253,y 296 应力释放,275 屈服强度,34,69,96,142,175 拉伸区,135 Yokobori,T.,121-139 条纹,8,51,87,91,107,155,杨氏模量,7,18,77,97,133,199,287,304 184,220,278 亚晶粒,97 钇,212 取代原子,42 Yu,W.,63-83
如果前一种效应占主导地位,则发生的现象称为微动磨损,反之亦然,发生微动疲劳。第二种现象可能更危险,因为它是许多关键部件服务故障的原因,有时甚至导致悲惨的事故。一般而言,微动损伤过程可分为三个不同的阶段,如 Hurricks [1] 所述。第一阶段涉及由于机械磨损而去除接触表面上的氧化层。在最初几个微动循环之后,氧化层已完全磨损,下面的部件材料开始粘附,从而形成微焊缝并增加摩擦系数。额外的负载循环导致微焊缝断裂,形成磨损碎片 [2]。更多的微动循环会导致表面附近发生塑性变形和微裂纹发展,进一步磨损并可能在组件材料和磨损颗粒上形成新的氧化物。这些裂纹的形成与接触边缘(即与非滑移区域的边界)的应力集中相对应。据报道,存在非扩展的微动裂纹 [3、4],这表明虽然微动可能严重影响裂纹的萌生和初始扩展,但远离接触区域的最终裂纹扩展受足够高的应力场控制,就像正常疲劳一样。微动问题与不同类型的接触密切相关 [5]:在不完全接触中,接触面积与法向载荷严格相关,而在完全接触中,应力奇异性对应于尖角引入。众所周知,摩擦完全接触中残余剪切牵引力的增加会进一步限制微动循环中的滑动 [ 6 , 7 ]。不会发生相同的效果
弗吉尼亚州阿灵顿 22201 FHWA 15.补充说明 FHWA 合同官员代表:Melonie Barrington,P.E.,PMP FHWA 技术经理:Brian M. Kozy,Ph.D.,P.E.Michael Baker 首席研究员:Mary P. Rosick,P.E.Michael Baker 项目经理:Kenneth E. Wilson,P.E.,S.E.,PMP 16.摘要 本手册解释了与钢桥疲劳和断裂相关的问题,包括分析、设计、评估、修复和改造。第 1 章介绍了疲劳和断裂,以及参考手册的介绍。第 2 章首先讨论钢结构中的开裂,包括裂纹行为、钢结构中不连续性的来源、影响疲劳和断裂的应力性质以及钢的脆性和延性行为。第 3 章提供断裂力学的基础知识,涵盖断裂控制、疲劳开裂评估和断裂力学作为定量工具等主题。第 4 章描述疲劳行为,包括不连续性和应力集中、生产和制造对疲劳的影响、作为设计极限基础的测试以及环境影响。第 5 章描述疲劳分析,并提供近似和精细分析方法的信息,包括局部应力分析。第 6 章介绍了 AASHTO LRFD 桥梁设计规范中提出的疲劳设计方法,并解释了基本疲劳极限状态方程、各种 AASHTO 疲劳细节类别、有限寿命和无限寿命之间的差异以及疲劳应力范围和分解公称抗力的计算,包括疲劳的分步设计示例。第 7 章介绍了断裂控制,包括设计、制造和检查,并涵盖了冗余、约束诱导断裂和总断裂控制计划等主题。第 8 章介绍了 AASHTO 疲劳评估方法,包括剩余疲劳寿命评估、基于 AASHTO 桥梁评估手册的疲劳寿命估计以及“负剩余寿命”桥梁细节的剩余疲劳寿命。第 9 章介绍了结构的评估、修复和改造,并提供了几种常见疲劳细节、一般修复和改造策略以及约束引起的断裂、超高车辆碰撞和适用性分析的描述。最后,第 10 章介绍了非焊接部件,例如组合构件、螺栓和杆以及混凝土钢筋。此外,附录 A 描述了基于 SHRP2 项目 R19B 的疲劳校准。
纤维金属层压板 (FML) 是一大类组合粘合结构,由粘合有纤维增强聚合物层的薄金属板组成 [1]。FML 的混合概念因其出色的抗疲劳性以及抗冲击、耐腐蚀等其他优异的机械特性而闻名。FML 的一种变体 Glare 由交替粘合在一起的薄铝板和玻璃纤维环氧层制成,已在空客 A380 上大规模用作机身蒙皮和尾翼前缘蒙皮材料。与单片金属板相比,FML 的优异疲劳性能归因于完整纤维在疲劳裂纹尖端后提供的桥接机制,如图所示。1。抗疲劳纤维保持完整,并抑制金属层中裂纹的张开,从而使载荷从开裂的金属层转移到桥接纤维。这种桥接机制显著增强了金属层对疲劳裂纹扩展的抵抗力,因为它降低了裂纹尖端的应力严重程度。同时,由于开裂的金属层和桥接纤维之间以剪切形式循环传递载荷,在复合材料/金属界面处发生分层,这是 FML 中的一种伴随失效机制 [2] 。FML 中显著改善的抗疲劳性和失效机制非常具有代表性,是广泛应用于各个工程领域的一般组合胶接结构中的代表。组合粘合结构提供的定制裂纹延迟功能通常用于航空航天工业的安全关键结构 [4,5] 。冗余负载路径和损伤阻止功能,例如机身撕裂带、疲劳裂纹延迟器 [6,7] 和裂纹阻止器 [8] ,最好通过粘合剂粘合到蒙皮板上,以减缓疲劳裂纹扩展,并允许定期检查以检测疲劳裂纹。组合结构的这些功能与适航法规推荐的损伤容限设计理念相得益彰。通常采用粘合技术而不是机械紧固来向蒙皮板添加额外的负载路径,以避免与紧固过程相关的应力集中和高成本 [5] 。粘合剂粘接解决方案还提供了隔离特定结构元件损坏的机会 [5] 。此外,含有裂纹的薄壁金属飞机结构通常通过将复合材料补片粘合到