細節(jié)結構的疲勞分析

細節(jié)結構的疲勞分析

描述材料疲勞性能最基本、最常用的方法是s-n曲線。常見的S-N曲線可用指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)和三參數(shù)冪函數(shù)表示?；跇藴蔛-N曲線,使用細節(jié)疲勞額定值(DFR)對結構進行疲勞分析和疲勞品質(zhì)評估簡單易行,使用可靠。DFR是一種對結構件質(zhì)量和耐重復載荷能力的度量,其意義是在95%置信度和95%可靠度要求下,當應力比R=0.06時,構件能夠承受105次循環(huán)載荷的最大應力。由于DFR是結構本身固有的疲勞性能特征值,與使用載荷無關,目前已在飛機結構抗疲勞耐久性設計上得到了廣泛使用。本文在介紹細節(jié)疲勞額定值的基礎上,重點討論了DFR的試驗方法,并推導了疲勞損傷的折算,通過鋁合金螺接件試驗驗證了所提出的試驗方法和疲勞損傷的折算公式。1疲勞壽命和細節(jié)疲勞額定值的關系標準S-N曲線表示在常幅載荷作用下,結構細節(jié)處的應力水平、壽命和細節(jié)疲勞額定值之間的關系曲線。標準S-N曲線適用于特征壽命在104～106循環(huán)數(shù)之間的常幅載荷,當循環(huán)數(shù)低于5000或最大應力超過50%極限拉伸強度時,則標準曲線無效。1.1u3000gs-ls-mssa為知識產(chǎn)權法(1)結構的疲勞壽命服從雙參數(shù)威布爾分布,其分布函數(shù)為F(N)=1-exp[-(Νβ)α,其中:N為疲勞壽命;α為材料常數(shù),可看作已知參數(shù),對應鋁合金α為4.0;β為特征壽命。(2)平均應力Sm為常數(shù)時,103～106壽命區(qū)間的lgSa～lgN之間的關系(Sa為應用幅值)為直線(見圖1),其斜率為Bm(材料常數(shù)),斜率參量為Κ?Κ=10-1Bm,對應鋁合金K=2.0,Bm=-3.32。(3)在103～105壽命區(qū)間內(nèi),對應95%可靠度(存活率)和95%置信度的等壽命曲線為直線(見圖2),且與橫坐標軸(Sm軸)交與同一點Sm0,Sm0為材料常數(shù)。對應鋁合金Sm0=310MPa;(4)疲勞損傷的累積服從Miner線性累積損傷原則。1.2平均應力幅值的計算根據(jù)基本假設,可寫出103～105區(qū)間的標準S-N曲線方程為lgΝ=A+BlgSa.(1)應力比R=0.06的直線和N=105的等壽命線的交點的平均應力Sm=0.53DFR,應力幅值Sa=0.47DFR。將N=105、曲線斜率B=Bm及Sa=0.47DFR代入(1)式,得到lg105=A+Blg(0.47DFR).(2)對(2)式作簡單運算,即可得A=lg105-Bmlg(0.47DFR)=lg105(0.47DFR)Bm,(3)代回(1)式可得lgΝ=lg105(0.47DFR)Bm+lgSBmaD.(4)式(4)中,SaD為平均應力Sm=0.53DFR的S-N曲線上的應力幅值。對于任何一條等壽命線有SaDSa=Sm0-0.53DFRSm0-Sm,(5)由式(4)和式(5)可得lgΝ=lg105(0.47DFR)Bm+lg(Sm0-0.53DFRSm0-SmSa)Bm.(6)因此,得到細節(jié)疲勞額定值DFR與標準S-N曲線的量的關系式:Ν=105[Sm0-0.53DFR0.47(Sm0-Sm)DFRSa〗Bm,(7)式(7)中,Sm為平均應力,Sa為應力幅值,Sm0為材料常數(shù),Bm為在103～106壽命區(qū)間的lgSa～lgN關系曲線的直線斜率。2標識譜的確定試驗為了建立結構細節(jié)裂紋尺寸和形成此裂紋尺寸的壽命關系,需要在確定結構細節(jié)特征應力的試驗中加入標識譜。實際試驗載荷譜分為兩級譜,一級為正式試驗載荷譜,另一級為標識譜。為了獲得清晰可見標識載荷譜疲勞條紋,通過試驗摸索,確定合適的標識譜(標識載荷譜即是在結構疲勞載荷譜的基礎上所加的能夠在斷口上形成可判讀條帶的載荷段)。標識譜的確定試驗所用試驗裝置為INSTRON8802液壓伺服試驗機(如圖3示)。試驗得到的含標識譜疲勞條紋如圖4。根據(jù)試驗探索,我們建議在隨機載荷譜中,標識載荷譜的最大應力不要超過隨機譜的最大應力,且應安排在結構載荷譜的高應力區(qū)。本試驗所選取的是等幅譜,因此,所加標識載荷譜的最大應力水平應等于等幅譜的最大應力,標識載荷譜的應力幅值應小于或等于載荷譜應力幅值的一半,加載的標識載荷譜時間應為最高應力幅持續(xù)時間的2～3倍。3疲勞損失的評估3.1疲勞壽命的計算依據(jù)DFR的定義與假設,標準S-N曲線方程可以標識為Ν=10(5-lgΖlgS)=105ΖBm,(8)其中Ζ=(1-R)(Sm0-0.53DFR)SmaxDFR[0.94Sm0-0.47(1+R)Smax]?(9)Bm為材料常數(shù)。由式(8)可以算出不同應力比R和最大應力Smax下的疲勞壽命N的值。標識譜和載荷譜的最大應力Smax相同,并且Sm0、Bm及DFR相同,均為結構本身的疲勞性能特征值,與使用載荷無關。設試件在標識譜和載荷譜下的疲勞壽命分別為NB和NZ,則:nz=nBΝΖΝB=nB(ΖΖΖB)Bm=nB(1-RΖ)[0.94Sm0-0.47(1+RB)Smax](1-RB[0.94Sm0-0.47(1+RΖ)Smax])Bm=nB((1-RΖ)[2Sm0-(1+RB)Smax](1-RB)[2Sm0-(1+RΖ)Smax]),(10)其中nB為標識譜的循環(huán)數(shù),nZ為等價的載荷譜的循環(huán)數(shù)。對于鋁合金材料,Sm0=310MPa,Bm=-3.32。3.2載荷譜周期組合某開孔鋁合金試件試驗的原始數(shù)據(jù):正弦波加載,最大應力130MPa,每循環(huán)載荷譜加載時間6min,加載頻率為4Hz;標識譜加載時間15min,標識譜加載頻率為8Hz;載荷譜應力比0.06;標識譜應力比0.53;未折算的疲勞壽命為251717cycles。折算過程如下:第一步計算標識譜作用時間對應的等價載荷譜的循環(huán)數(shù)nZ。將原始數(shù)據(jù)代入(10)式計算得到nZ=1130.4cycles;第二步計算加載的周期數(shù)nseq。nseq=251717/(6min×4Hz×60s+15min×8Hz×60s)=29.1339seq;第三步確定終止壽命所處的譜型。首先確定可用載荷譜循環(huán)數(shù)除以單個周期總的循環(huán)數(shù)得到單個周期里的載荷譜與標識譜的分界點ndepart,ndepart=(6min×4Hz×60s)/8640=0.1667,再根據(jù)29.1339-29=0.1339>0.1167,可判斷終值壽命處在載荷譜階段;第四步確定等價的終值壽命Nequa,Nequa=(1440+1330.4)×29+[251717-(8640×29)]=81498.cycles。4疲勞額定值與標準s-n曲線的關系本文介紹使用細節(jié)疲勞額定值對結構進行疲勞分析和疲勞品