基于預(yù)設(shè)非焊合區(qū)的鈦合金層板增韌方法研究.pdf

1、鈦合金由于具有超高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性以及良好的耐高溫性能，而被廣泛應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)。但鈦合金抵抗裂紋擴(kuò)展的能力較弱，其制件中一旦出現(xiàn)疲勞裂紋，則會快速擴(kuò)展。因此，鈦合金結(jié)構(gòu)增韌成為關(guān)鍵問題。通過擴(kuò)散連接技術(shù)，將鈦合金制成層合結(jié)構(gòu)，是提高其韌性有效且常用的技術(shù)。研究表明，結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷除了引起應(yīng)力集中，造成結(jié)構(gòu)承載能力下降外，有時可以利用其對應(yīng)力分布的調(diào)控作用，起到阻礙裂紋擴(kuò)展、提高韌性的作用。基于該思想，在鈦合金層合結(jié)構(gòu)層間連接層預(yù)設(shè)

2、非完全連接區(qū)，有可能起到阻礙裂紋擴(kuò)展的作用，有望成為鈦合金層板的增韌新方法。本文研究基于預(yù)設(shè)非焊合區(qū)的鈦合金層板增韌方法。利用試驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)，探討非焊合區(qū)對增韌的有效性，分析和總結(jié)非焊合區(qū)的布置、尺寸等參數(shù)對增韌性能的影響規(guī)律;通過理論與數(shù)值相結(jié)合的手段，對擴(kuò)展過程中裂紋前緣應(yīng)力強(qiáng)度因子的分布進(jìn)行表征，進(jìn)而揭示預(yù)設(shè)非焊合區(qū)的增韌機(jī)理;通過調(diào)整非焊合區(qū)的布局與幾何參數(shù)，實(shí)現(xiàn)增韌設(shè)計(jì)。主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　(1)基于預(yù)設(shè)非

3、焊合區(qū)的鈦合金層板增韌方法及其有效性驗(yàn)證。利用試驗(yàn)測試與數(shù)值模擬技術(shù)分析預(yù)設(shè)非焊合區(qū)對鈦合金層板疲勞擴(kuò)展壽命的影響，分析基于預(yù)設(shè)非焊合區(qū)的鈦合金層板增韌方法的有效性。首先建立了基于擴(kuò)展有限元的含非焊合區(qū)鈦合金層板的失效過程分析模型，并基于該模型對鈦合金層板進(jìn)行仿真分析;進(jìn)一步通過擴(kuò)散連接工藝制作了含非焊合區(qū)的開孔鈦合金層板試驗(yàn)件，使用降載勾線方法對試件進(jìn)行拉-拉疲勞試驗(yàn);通過對疲勞斷面上清晰的痕跡線進(jìn)行判讀，獲取了疲勞裂紋在含非焊合區(qū)鈦

4、合金層板內(nèi)擴(kuò)展的全過程;數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果吻合，表明本文所建立的分析模型的有效性，能夠精確預(yù)測含非焊合區(qū)的鈦合金層板的疲勞裂紋擴(kuò)展性能。數(shù)值分析和試驗(yàn)測試結(jié)果均表明，預(yù)設(shè)非焊合區(qū)對疲勞裂紋擴(kuò)展過程影響顯著，合理布置非焊合區(qū)是有效的增韌方法。
　　(2)非焊合區(qū)關(guān)鍵幾何參數(shù)對鈦合金層板增韌影響分析。通過含非焊合區(qū)鈦合金層板的失效過程分析模型，分析和總結(jié)了非焊合區(qū)的布置、尺寸等參數(shù)對增韌性能的影響規(guī)律。從裂紋沿表面以及深度擴(kuò)展

5、兩個方面進(jìn)行討論，分析了這些參數(shù)對鈦合金層板疲勞裂紋擴(kuò)展壽命、疲勞裂紋擴(kuò)展速率以及結(jié)構(gòu)失效全過程的影響。結(jié)果表明，當(dāng)裂紋面擴(kuò)展至非焊合區(qū)邊界時，表面裂紋擴(kuò)展速率有明顯的減緩，而非焊合區(qū)的尺寸參數(shù)則決定擴(kuò)展速率降低的區(qū)域位置;當(dāng)裂紋面沿厚度擴(kuò)展至非焊合區(qū)時，非焊合區(qū)可以阻斷裂紋面繼續(xù)往厚度方向擴(kuò)展，裂紋發(fā)生轉(zhuǎn)向，而非焊合區(qū)位置參數(shù)決定了裂紋發(fā)生轉(zhuǎn)向的時機(jī)，合理的位置參數(shù)可以極大的延長結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。
　　(3)鈦合金層板預(yù)設(shè)

6、非焊合區(qū)增韌機(jī)理研究。通過理論與數(shù)值相結(jié)合的手段，對擴(kuò)展過程中裂紋前緣應(yīng)力強(qiáng)度因子的分布進(jìn)行表征，通過分析非焊合區(qū)附近的三維裂紋前緣應(yīng)力強(qiáng)度因子分布，揭示了預(yù)設(shè)非焊合區(qū)的增韌機(jī)理。首先，通過試件斷面獲得疲勞裂紋前緣準(zhǔn)確的形狀，建立三維裂紋前緣的應(yīng)力強(qiáng)度因子分析模型。然后，針對裂紋擴(kuò)展過程中裂紋前緣形狀的特點(diǎn)，將其劃分三個階段，分段給出了疲勞裂紋前緣應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算公式，并對公式的精度進(jìn)行了討論。最后，通過分析非焊合區(qū)附近三維裂紋前緣應(yīng)

7、力強(qiáng)度因子的分布，得出非焊合區(qū)的增韌作用體現(xiàn)在兩個方面:一方面，非焊合區(qū)的存在改變了疲勞裂紋的擴(kuò)展路徑;另一方面，由于疲勞裂紋擴(kuò)展路徑的改變，裂紋前緣從孔邊高應(yīng)力區(qū)，快速引導(dǎo)到了遠(yuǎn)離孔邊的低應(yīng)力區(qū)，使得疲勞裂紋擴(kuò)展的主要區(qū)域發(fā)生在低應(yīng)力區(qū)，從而降低了疲勞裂紋的擴(kuò)展速率，達(dá)到了非焊合區(qū)增韌的目的。
　　(4)基于單層失效思想的非焊合區(qū)布局設(shè)計(jì)?；趩螌邮枷耄ㄟ^調(diào)整非焊合區(qū)的布局與幾何，實(shí)現(xiàn)了增韌設(shè)計(jì)。首先對非焊合區(qū)的布局形式進(jìn)