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典型航空铝合金结构件疲劳性能的尺寸效应实验研究

作　者: 卜英格
导　师: 施惠基
学　校: 清华大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 尺寸效应疲劳强度铝合金应力梯度
分类号: V216.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着航空结构尺寸的增加，材料疲劳强度的尺寸效应变得越来越突出，即几何形状相同、承载方式相同的构件，尺寸越大疲劳强度越低。本文选择一种常用航空铝合金2024T351制成两种典型结构件（带孔方板和耳片试样）进行疲劳实验，测得不同尺寸试样在105周次寿命对应的疲劳强度，研究其尺寸效应。结果表明，部分试样的疲劳强度表现出了正常的尺寸效应，此时利用经验公式进行拟合便可得到可供工程应用的疲劳准则模型。而另一部分试样则出现了反尺寸效应，即疲劳强度随着尺寸的增大而升高。本文对其原因进行了初步分析，认为裂纹扩展长度是可能的原因之一。此外，试样断口的显微观测结果表明，各个尺寸试样的疲劳裂纹都起源于应力集中点、加工边缘以及磨损所引入的表面缺陷处。本文在总结考虑了尺寸效应尤其是应力梯度影响的疲劳准则模型的基础上，利用本文实验和文献中的铝合金疲劳实验数据，用多种疲劳强度预测模型对带孔方板和耳片试样地实验结果进行了计算模拟。通过比较这些模型的预测精度发现，对于同一应力集中系数的数据，指数模型、Peterson和Neuber模型能够给出较好的预测结果。而受到数据量和分散性的影响，临界距离等二维拟合的结果偏差都较大。另外，只有指数模型和一维Peterson模型可以描述反尺寸效应。综合实验和模型预测结果，本文建议在实际工程应用中使用耳片连接结构时，需要在孔内加装衬套以避免因磨损而导致疲劳寿命的降低。同时建议在进行大型飞机结构设计时，应该仍然采用正常尺寸效应的修正方式，因为反尺寸效应给出的修正并不保守。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-29
  1.1 课题背景  8-10
  1.2 疲劳尺寸效应机理及其影响机制的研究进展  10-21
    1.2.1 绝对尺寸效应  11-14
    1.2.2 考虑应力梯度的局部评价法  14-17
    1.2.3 临界距离法  17-19
    1.2.4 考虑疲劳影响区的非局部评价法  19-21
  1.3 铝合金结构件疲劳尺寸效应实验研究进展  21-27
    1.3.1 带孔板实验  22-25
    1.3.2 耳片实验  25-27
  1.4 本文研究内容  27-29
第2章铝合金典型结构件疲劳性能实验研究  29-53
  2.1 本章引论  29-30
  2.2 实验方案设计介绍  30-36
    2.2.1 实验材料  30-31
    2.2.2 实验件设计及实验方案  31-34
    2.2.3 实验条件  34-35
    2.2.4 实验结果整理  35-36
  2.3 疲劳实验结果及显微结构分析  36-47
    2.3.1 带孔板式样实验结果  36-37
    2.3.2 耳片试样实验结果  37-40
    2.3.3 断口显微结构分析  40-47
  2.4 耳片试样实验结果中的尺寸效应  47-51
    2.4.1 实验结果中的尺寸效应  47-48
    2.4.2 关于“反尺寸效应”的讨论  48-50
    2.4.3 提高耳片结构的疲劳性能的建议  50-51
  2.5 本章小结  51-53
第3章铝合金典型结构件疲劳性能尺寸效应模型研究  53-65
  3.1 本章引论  53-55
    3.1.1 数据准备  53
    3.1.2 模型准备  53-55
  3.2 疲劳实验数据的疲劳准则模型拟合  55-63
    3.2.1 指数模型  55-57
    3.2.2 Peterson 和 Neuber 模型  57-59
    3.2.3 临界距离法  59-63
  3.3 不同模型的比较分析  63-64
  3.4 本章小结  64-65
第4章总结与展望  65-67
  4.1 本文结论  65-66
  4.2 工作展望  66-67
附录 A 实验件详细图纸  67-70
附录 B 疲劳实验结果和 S-N 曲线  70-82
附录 C 本文使用的数据  82-85
参考文献  85-88
致谢  88-90
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  90

典型航空铝合金结构件疲劳性能的尺寸效应实验研究

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