平均應變對某航空鋁合金力學行為影響與隨機疲勞壽命預測研究.pdf

1、××××鋁合金屬于Al-Mg-Cu系合金，已被廣泛應用于航空結(jié)構(gòu)用材。近年來隨著飛行器對速度和機動性要求的提高，材料的服役條件變得越來越復雜。新一代飛機結(jié)構(gòu)件在實際服役過程中，通常受到含較大拉/壓平均應力的隨機載荷作用。由于平均應力對材料低周疲勞壽命具有顯著影響，因此，研究典型拉/壓平均應變（平均應力）下××××鋁合金的低周疲勞力學行為以及與此相關(guān)的隨機疲勞壽命預測方法對于新一代飛機結(jié)構(gòu)的壽命預測具有重要的工程實際意義。
　　本文

2、在國防軍工項目（GFJG-112108-E81002）和國家自然科學基金項目(50975254)支持下，主要開展了以下兩部分研究工作:
　　(1)開展了四種應變比（R=-1，-0.06，0.06和0.5）下××××鋁合金的低周疲勞試驗，重點研究了平均應變對該鋁合金循環(huán)硬化/軟化特征、平均應力松弛、循環(huán)應力應變行為、應變-壽命關(guān)系曲線以及Masing特性等的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:××××鋁合金的循環(huán)應力響應與平均應變密切相關(guān)。在對

3、稱循環(huán)（R=-1）下，材料主要呈現(xiàn)循環(huán)軟化特征;而在非對稱循環(huán)（R≠-1）下，材料呈現(xiàn)出初始硬化后的循環(huán)穩(wěn)定特征。在非對稱循環(huán)應變下，××××鋁合金出現(xiàn)了平均應力松弛現(xiàn)象，且應變幅越大，平均應力松弛速率越大。而當應變幅小于0.4％時，平均應力松弛現(xiàn)象基本消失。通過對平均應力的循環(huán)松弛試驗結(jié)果進行擬合進一步得出:不同應變比下××××鋁合金的平均應力松弛規(guī)律均可采用Maxwell模型很好地描述?；贛anson-Coffin模型，本文對不同

4、應變比下××××鋁合金的應變壽命（εa-Nf）試驗結(jié)果進行了最小二乘回歸擬合。結(jié)果指出:該鋁合金的塑性應變-壽命曲線呈現(xiàn)出雙線性特征，且材料的疲勞強度系數(shù)（σ'f）和指數(shù)(b)以及疲勞延性系數(shù)（ε'f）和指數(shù)(c)均與作用應變比相關(guān)。本文還采用不同應變幅下的滯回環(huán)對比和測量鮑氏應變(β)兩種方法分別研究了××××鋁合金的Masing特性。結(jié)果表明:不同應變比下××××鋁合金均呈現(xiàn)出Masing特性。因此，可以采用應變疲勞參數(shù)直接計算該鋁

5、合金的循環(huán)滯回能(△Wp)。
　　(2)基于局部應力應變法，本文開展了××××鋁合金典型缺口構(gòu)件的隨機疲勞壽命預測方法研究。采用Downing模型進行隨機載荷譜的雨流計數(shù)，采用“統(tǒng)一法”計算缺口尖端的局部應力應變歷程，采用三種損傷模型（Manson-Coffin模型、SWT模型和“等效應變”模型）分別計算材料的疲勞損傷，并采用Miner線性法則對疲勞損傷進行累積。將上述計算流程編寫為一套Matlab程序。通過開展××××鋁合金兩種

6、缺口件（中心孔和雙邊缺口）的隨機疲勞試驗，并將試驗結(jié)果與缺口件隨機疲勞壽命預測結(jié)果進行比較，重點考察了三種疲勞損傷模型的預測精度。結(jié)果表明:綜合考慮平均應變和平均應力對材料疲勞特性影響的“等效應變”模型獲得了與試驗壽命最好的一致性（預測壽命與試驗結(jié)果的相對誤差小于50％）;只考慮平均應力影響的SWT模型預測精度次之;而基于對稱循環(huán)的Manson-Coffin模型由于無法考慮平均應力和平均應變的影響，其預測壽命與試驗結(jié)果差異較大。因此，在