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平均应变对某航空铝合金力学行为影响与随机疲劳寿命预测研究

作　者: 米丰
导　师: 叶笃毅
学　校: 浙江大学
专　业: 化工过程机械
关键词: ××××铝合金低周疲劳平均应变局部应力应变法随机疲劳寿命预测
分类号: V252.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

××××铝合金属于Al-Mg-Cu系合金,已被广泛应用于航空结构用材。近年来随着飞行器对速度和机动性要求的提高,材料的服役条件变得越来越复杂。新一代飞机结构件在实际服役过程中,通常受到含较大拉／压平均应力的随机载荷作用。由于平均应力对材料低周疲劳寿命具有显著影响,因此,研究典型拉／压平均应变(平均应力)下××××铝合金的低周疲劳力学行为以及与此相关的随机疲劳寿命预测方法对于新一代飞机结构的寿命预测具有重要的工程实际意义。本文在国防军工项目(GFJG-112108-E81002)和国家自然科学基金项目(50975254)支持下,主要开展了以下两部分研究工作：(1)开展了四种应变比(R=-1,-0.06,0.06和0.5)下××××铝合金的低周疲劳试验,重点研究了平均应变对该铝合金循环硬化／软化特征、平均应力松弛、循环应力应变行为、应变-寿命关系曲线以及Masing特性等的影响规律。研究结果表明：××××铝合金的循环应力响应与平均应变密切相关。在对称循环(R=-1)下,材料主要呈现循环软化特征；而在非对称循环(R≠-1)下,材料呈现出初始硬化后的循环稳定特征。在非对称循环应变下,××××铝合金出现了平均应力松弛现象,且应变幅越大,平均应力松弛速率越大。而当应变幅小于0.4%时,平均应力松弛现象基本消失。通过对平均应力的循环松弛试验结果进行拟合进一步得出：不同应变比下××××铝合金的平均应力松弛规律均可采用Maxwell模型很好地描述。基于Manson-Coffin模型,本文对不同应变比下××××铝合金的应变寿命(ε。-Nf)试验结果进行了最小二乘回归拟合。结果指出：该铝合金的塑性应变-寿命曲线呈现出双线性特征,且材料的疲劳强度系数(σf’)和指数(b)以及疲劳延性系数(εf’)和指数(c)均与作用应变比相关。本文还采用不同应变幅下的滞回环对比和测量鲍氏应变(β)两种方法分别研究了××××铝合金的Masing特性。结果表明：不同应变比下××××铝合金均呈现出Masing特性。因此,可以采用应变疲劳参数直接计算该铝合金的循环滞回能(ΔWp)。(2)基于局部应力应变法,本文开展了××××铝合金典型缺口构件的随机疲劳寿命预测方法研究。采用Downing模型进行随机载荷谱的雨流计数,采用“统一法”计算缺口尖端的局部应力应变历程,采用三种损伤模型(Manson-Coffin模型、SWT模型和“等效应变”模型)分别计算材料的疲劳损伤,并采用Miner线性法则对疲劳损伤进行累积。将上述计算流程编写为一套Matlab程序。通过开展××××铝合金两种缺口件(中心孔和双边缺口)的随机疲劳试验,并将试验结果与缺口件随机疲劳寿命预测结果进行比较,重点考察了三种疲劳损伤模型的预测精度。结果表明：综合考虑平均应变和平均应力对材料疲劳特性影响的“等效应变”模型获得了与试验寿命最好的一致性(预测寿命与试验结果的相对误差小于50%)；只考虑平均应力影响的SWT模型预测精度次之；而基于对称循环的Manson-Coffin模型由于无法考虑平均应力和平均应变的影响,其预测寿命与试验结果差异较大。因此,在新一代飞机结构的定寿中,“等效应变”模型是一种值得重视的损伤计算模型。本文还采用光学显微镜对××××铝合金在不同应变比下的疲劳金相组织进行了观察。结果表明：不同疲劳条件下铝合金的晶粒内均出现了滑移现象。采用扫描电镜(SEM)对疲劳试样断口进行观察得出：在各种应变比下,疲劳裂纹均萌生于试样表面,且随着应变比和应变幅的增大,裂纹源数量增加。断口形貌总体呈现出从韧性断裂转变为脆性断裂的特征。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-12
1 绪论  12-28
  1.1 航空铝合金的发展概况  12
  1.2 飞机结构疲劳寿命预测方法的研究进展  12-17
    1.2.1 名义应力法  13-14
    1.2.2 局部应力应变法  14-16
    1.2.3 损伤容限法  16-17
  1.3 平均应变(应力)对材料疲劳力学行为的影响及其描述方法  17-22
    1.3.1 平均应变与平均应力的相互作用  17-18
    1.3.2 平均应力松弛现象及其描述  18-20
    1.3.3 平均应变(应力)对材料应变-寿命关系的影响  20-22
  1.4 随机疲劳寿命预测中的雨流计数法  22-27
    1.4.1 雨流计数法的原理与发展概况  22-23
    1.4.2 雨流计数法的常用模型  23-27
  1.5 本文的主要研究内容  27-28
2 材料与试验方法  28-35
  2.1 引言  28
  2.2 试验材料  28-30
  2.3 单调拉伸试验  30
  2.4 低周疲劳试验  30-31
  2.5 随机载荷谱下的疲劳试验  31-33
  2.6 试样的金相分析与断口形貌观察  33-34
  2.7 本章小结  34-35
3 平均应变对××××铝合金低周疲劳力学行为的影响  35-56
  3.1 引言  35
  3.2 平均应变对××××铝合金循环应力响应特征的影响  35-39
    3.2.1 不同应变比下材料的循环硬化/软化特征  35-36
    3.2.2 不同应变比下材料的平均应力松弛规律  36-39
  3.3 平均应变对材料应力-应变(σ_a-ε_a)曲线的影响  39-43
  3.4 平均应变对材料应变-寿命(ε_a-N_f)曲线的影响  43-45
  3.5 不同应变比下材料的Masing特性  45-48
  3.6 不同应变比下材料的循环滞回能(累积滞回能)变化特征  48-51
  3.7 不同应变比下材料的金相显微结构  51-52
  3.8 不同应变比下材料的疲劳断口形貌特征  52-54
  3.9 本章小结  54-56
4 考虑平均应变影响的低周疲劳力学模型与缺口件随机疲劳寿命预测  56-74
  4.1 引言  56
  4.2 平均应变对Mason-Coffin公式中各特征参数的影响  56-58
  4.3 考虑平均应变影响的修正Manson-Coffin公式  58-61
  4.4 缺口构件随机疲劳寿命预测方法  61-68
  4.5 两种缺口件的随机疲劳试验结果  68-71
  4.6 寿命预测结果与试验结果比较  71-72
  4.7 本章小结  72-74
5 总结与展望  74-76
  5.1 主要结论  74-75
  5.2 展望  75-76
参考文献  76-80
作者简历  80

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