多位置損傷結(jié)構(gòu)疲勞壽命的試驗(yàn)探析論文
引言
隨著飛機(jī)使用年限的增加，搭接板( 殼) 結(jié)構(gòu)中的裂紋隨機(jī)分布于一排共線鉚釘孔的邊緣，這便構(gòu)成了飛機(jī)結(jié)構(gòu)中典型的多部位損傷( MSD) 的幾何特征。這種結(jié)構(gòu)會對飛機(jī)的結(jié)構(gòu)安全性形成極大威脅，因此認(rèn)識其發(fā)展變化規(guī)律有著十分重要的意義。
計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展的方法通常有理論方法、仿真方法和試驗(yàn)方法。在利用理論方法計(jì)算MSD 裂紋的疲勞擴(kuò)展壽命時(shí)，通常需要先計(jì)算裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子，由于MSD 結(jié)構(gòu)復(fù)雜且通常具有多個(gè)疲勞源，因此利用解析法計(jì)算MSD 結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度因子具有一定的難度。隨著有限元軟件的發(fā)展，運(yùn)用有限元方法對MSD 裂紋的疲勞擴(kuò)展進(jìn)行仿真求解成為了一種較新穎的嘗試。但ANSYS、ABAQUS、NASTRA 等大型有限元軟件在對疲勞裂紋問題進(jìn)行計(jì)算時(shí)往往需要進(jìn)行十分復(fù)雜的流程操作，因而在實(shí)際應(yīng)用上或多或少也受到了一定的局限。
本文采用試驗(yàn)方法對含MSD 某型飛機(jī)典型鉚接壁板進(jìn)行分析。通過觀察板上各孔邊裂紋的裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，記錄其裂紋擴(kuò)展壽命，總結(jié)出典型MSD 結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展規(guī)律。
1 試驗(yàn)過程
1. 1 研究對象與結(jié)構(gòu)模型
選取飛機(jī)典型鉚接壁板結(jié)構(gòu)模擬件—有限共線5孔邊對稱裂紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)。
壁板各孔邊兩側(cè)線切割1mm 預(yù)制切口，壁板的線切割位置及尺寸。模擬件壁板采用2mm 厚2024-T62 鋁合金薄板，其斷裂韌KΙc = 50MPa·槡m ，抗拉強(qiáng)度σb = 455MPa，屈服強(qiáng)度σp0. 2 =414MPa，彈性模量E = 71. 4GPa，泊松比μ = 0. 3。
試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模擬件共2 件，編號為SY1 和SY2。在空氣環(huán)境中進(jìn)行預(yù)腐蝕、疲勞起裂和疲勞擴(kuò)展試驗(yàn)。
1. 2 試驗(yàn)方案
采用PLS-100 電液伺服疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行模擬件在試驗(yàn)環(huán)境下的疲勞起裂和裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，其靜載荷誤差在1%以內(nèi)，動(dòng)載誤差在3%以內(nèi)。采用專用夾具對試樣進(jìn)行夾持。采用寬范圍顯微鏡觀測記錄孔邊裂紋萌生情況和擴(kuò)展數(shù)據(jù)。
疲勞起裂和裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)步驟如下:
( 1) 安裝試樣;
( 2) 按載荷水平進(jìn)行疲勞起裂試驗(yàn)，R =0. 06，頻率5Hz。每隔5000 次觀測孔邊是否萌生裂紋。當(dāng)孔邊切口處萌生平均長度約1mm 的裂紋時(shí)，進(jìn)行裂紋擴(kuò)展試驗(yàn);
( 3) 按載荷水平進(jìn)行裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，平均每擴(kuò)展約0. 5mm，采用寬范圍顯微鏡記錄所有孔邊裂紋擴(kuò)展a - N 數(shù)據(jù);
( 4) 直至裂紋貫通，隨后試件斷裂，停止試驗(yàn)。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
對試驗(yàn)件原始裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)進(jìn)行處理( 不計(jì)疲勞起裂次數(shù)，裂紋長度為裂尖至孔邊距離，孔序號由左至右為1 ～ 5)。
除去起裂循環(huán)次數(shù)后，對于試件SY1，循環(huán)至56005 次，孔4 右和孔5 左貫通; 循環(huán)至56039 次，孔3右和孔4 左貫通，隨后試件斷裂。對于試件SY2，循環(huán)至59302 次，試件發(fā)生斷裂。
通過分析裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)，可以得到:
( 1) 對于試件的結(jié)構(gòu)而言，孔1 ～ 孔5 的所有裂紋在裂紋擴(kuò)展初期有著近乎一致的裂紋擴(kuò)展特性。因?yàn)榇藭r(shí)裂紋主要受到來自起裂孔的影響，相同的起裂孔結(jié)構(gòu)及裂紋分布導(dǎo)致了這一現(xiàn)象的產(chǎn)生。
( 2) 隨著裂紋擴(kuò)展，十條裂紋的裂紋擴(kuò)展情況有所差異，其中孔3 左右兩側(cè)裂紋的裂紋擴(kuò)展速度快于其他孔邊裂紋。因?yàn)樵谶@一階段，裂紋不僅受到起裂孔的影響還受到其他孔以及有限板邊界的影響。每條裂紋受到影響的具體來源和大小均有所不同，但顯然，孔3 左右兩側(cè)裂紋受到的總的影響最大。
( 3) 隨著裂紋擴(kuò)展，鄰近孔( 或者有限板邊界) 對裂紋的影響逐漸增大。當(dāng)這種影響成為主導(dǎo)時(shí)，孔邊裂紋的裂紋擴(kuò)展速度便有了較快的增長，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，則發(fā)生了裂紋的貫通，致使結(jié)構(gòu)損壞。
3 結(jié)論
在典型MSD 損傷模式下，影響裂紋擴(kuò)展和疲勞壽命的主要因素有兩個(gè): ①來自于孔自身的應(yīng)力集中的影響，這種影響主要表現(xiàn)在孔邊裂紋擴(kuò)展初期即短裂紋時(shí)期，它是任何孔邊裂紋都具有的特性，而并非MSD 裂紋所特有的性質(zhì); ②來自裂紋間的相互干涉，這種影響主要發(fā)生在孔邊裂紋擴(kuò)展中后期即中長裂紋時(shí)期，它能夠真正反映MSD 裂紋的特有性質(zhì)。裂紋擴(kuò)展到一定長度后，孔自身的影響很快衰減，而鄰孔、鄰近裂紋、凈截面應(yīng)力升高及邊界影響增強(qiáng)，此時(shí)裂紋擴(kuò)展開始有所差異。當(dāng)裂紋與鄰近裂紋的距離接近孔間距的40%時(shí)，裂紋與鄰近裂紋將開始產(chǎn)生嚴(yán)重干涉。此時(shí)若不考慮裂紋間的相互影響將會引致危險(xiǎn)的后果。
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