平均應(yīng)變對某航空鋁合金力學(xué)行為影響與隨機(jī)疲勞壽命預(yù)測研究.pdf

1、××××鋁合金屬于Al-Mg-Cu系合金，已被廣泛應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)用材。近年來隨著飛行器對速度和機(jī)動性要求的提高，材料的服役條件變得越來越復(fù)雜。新一代飛機(jī)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(yīng)力的隨機(jī)載荷作用。由于平均應(yīng)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(yīng)變（平均應(yīng)力）下××××鋁合金的低周疲勞力學(xué)行為以及與此相關(guān)的隨機(jī)疲勞壽命預(yù)測方法對于新一代飛機(jī)結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)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(xué)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(yīng)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(yīng)變對該鋁合金循環(huán)硬化/軟化特征、平均應(yīng)力松弛、循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變行為、應(yīng)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(yīng)力響應(yīng)與平均應(yīng)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(yīng)變下，××××鋁合金出現(xiàn)了平均應(yīng)力松弛現(xiàn)象，且應(yīng)變幅越大，平均應(yīng)力松弛速率越大。而當(dāng)應(yīng)變幅小于0.4％時，平均應(yīng)力松弛現(xiàn)象基本消失。通過對平均應(yīng)力的循環(huán)松弛試驗結(jié)果進(jìn)行擬合進(jìn)一步得出:不同應(yīng)變比下××××鋁合金的平均應(yīng)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(yīng)變比下××××鋁合金的應(yīng)變壽命（εa-Nf）試驗結(jié)果進(jìn)行了最小二乘回歸擬合。結(jié)果指出:該鋁合金的塑性應(yīng)變-壽命曲線呈現(xiàn)出雙線性特征，且材料的疲勞強(qiáng)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(yīng)變比相關(guān)。本文還采用不同應(yīng)變幅下的滯回環(huán)對比和測量鮑氏應(yīng)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(yīng)變比下××××鋁合金均呈現(xiàn)出Masing特性。因此，可以采用應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變法，本文開展了××××鋁合金典型缺口構(gòu)件的隨機(jī)疲勞壽命預(yù)測方法研究。采用Downing模型進(jìn)行隨機(jī)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(yīng)力應(yīng)變歷程，采用三種損傷模型（Manson-Coffin模型、SWT模型和“等效應(yīng)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(jìn)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(jī)疲勞試驗，并將試驗結(jié)果與缺口件隨機(jī)疲勞壽命預(yù)測結(jié)果進(jìn)行比較，重點考察了三種疲勞損傷模型的預(yù)測精度。結(jié)果表明:綜合考慮平均應(yīng)變和平均應(yīng)力對材料疲勞特性影響的“等效應(yīng)變”模型獲得了與試驗壽命最好的一致性（預(yù)測壽命與試驗結(jié)果的相對誤差小于50％）;只考慮平均應(yīng)力影響的SWT模型預(yù)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(yīng)力和平均應(yīng)變的影響，其預(yù)測壽命與試驗結(jié)果差異較大。因此，在