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1、第6期(总第199期)机械工程与自动化No.62016年12月MECHANICALENGINEERING&AUTOMATIONDec.文章编号:1672-6413(2016)06-0129-03基于应变能密度法的纤维金属层板疲劳特性分析李烽(华东交通大学机电工程学院,江西南昌330013)摘要:以纤维金属层板为研究对象,建立弹塑性纤维金属层板的有限元模型,进一步通过SWT等应变能密度法建立模型参数,并建立疲劳寿命与模型参数的关系,通过实验数据得到所需寿命预测公式中的参数。通过改变载荷的大小来分析载荷对纤维金属层板寿命的影响
2、。关键词:纤维金属层板;应变能密度;疲劳特性中图分类号:TP391.7文献标识码:A0引言机上进行试验,研究不同载荷情况下纤维金属层板的疲纤维金属层板(FiberMetalLaminates,FMLs)是劳寿命。铝合金纤维金属层板试验示意图如图1所示。一种由金属(如铝合金、钛合金)薄层和增强纤维层交替铺叠,在一定的固化工艺下形成的一种层间混杂的复合材料结构。该结构是由荷兰Delft理工大学在20世纪70年代发明并在Fokker飞机机翼上率先使用的,至今已经得到了不断的发展。根据合金或纤维增强复合材料的不同,常见的纤维金属层
3、板有Arall、Glare、Care和Tigr等。纤维金属层板综合了金属材料和纤维复合材料的优点,弥补了单一金属材料的不图1铝合金纤维金属层板试验示意图足,不仅具有密度低、疲劳抗力高、缺口强度高等优点,1.1试验材料的属性而且还有较高的比强度和比刚度,因此,该结构在航空6061纤维金属层板主要的组成材料为6061铝合制造领域得到了广泛和重要的应用(比如空客A380金板、环氧胶和玻璃纤维等。其中,6061铝合金板的飞机的壁板和尾翼采用Glare层板,波音787飞机的主要构成元素为镁和硅,这就决定了它不仅具有极佳蒙皮和机翼采用
4、TiGr层板),这足以证明其良好的应的加工性能、良好的抗腐蚀性能和很好的韧性,而且易用前景。于抛光,抗氧化性能也比较好。6061铝合金的弹性模目前,人们对纤维金属层板的研究内容主要有:纤量为72GPa,泊松比为0.33,热膨胀系数为1.881×维金属层板的制备和力学性能表证[1-2]、纤维金属层-510m/K,热传导系数为203W/(m·K),切变模量[3-4]板孔边剩余强度和损伤问题的研究、纤维金属层为27.67GPa,由于其具有良好的物理性能,被广泛地[5-6]板孔边疲劳裂纹的萌生和扩展问题的研究和纤维应用于航空航天、
5、通讯、机械零件的自动化加工、精密[7]金属层板胶接接头力学性能的研究。预测纤维金属仪器等领域。玻璃纤维层板为两铝板中间部分,由环层板寿命的方法有很多种,大多采用数值分析法(主要氧树脂和玻璃纤维高温(120℃)固化而成。环氧树脂是有限元法)和实验的方法,在此基础上建立有限元的的弹性模量为4.5GPa,泊松比为0.4,热膨胀系数为分析模型,但是都没有很好地解决纤维金属层板界面11×10-5m/K,切变模量为1.6GPa;玻璃纤维的弹性[8]端的疲劳特性。本文采用基于应变能密度(SWT)模量为74GPa,泊松比为0.25,热膨胀
6、系数为5×的多轴疲劳方法来预测纤维金属层板的寿命,可以有10-4m/K,切变模量为30GPa。效地解决纤维金属层板界面端的力学问题,能够有效、1.2试验加载频率和循环波形的选择准确地预测纤维金属层板疲劳破坏的位置、裂纹萌生在疲劳试验过程中,如果加载频率过高,会使疲劳方向和微动疲劳寿命。试验机产生共振,且不能够及时地做出动态响应;加载1纤维金属层板的微动疲劳试验的频率过低则会使试验周期过长,所以根据疲劳试验本文以6061纤维金属层板作为试验对象。采用机的操作规范,选取试验加载的频率为10Hz,载荷波9个试件在日产EHF-EM
7、系列的电液伺服疲劳试验形采用正弦波的形式,如图2所示。收稿日期:2016-03-24;修订日期:2016-09-29作者简介:李烽(1989-),男,山东寿光人,在读硕士研究生,研究方向:车辆结构强度。·130·机械工程与自动化2016年第6期1.3试验结果分析原因,这也与之前的理论分析不谋而合。我们制作了9个试样,每3个分成一组,在微动疲2纤维金属层板应变能密度的计算劳试验机上进行试验,施加在压块上表面几何形心处2.1临界平面的确定的压力P=500N,试件两端的最大循环载荷Smax分别临界平面是指疲劳裂纹会在材料内部的某
8、个面上为120MPa、110MPa、100MPa,测得了试件产生裂纹萌生和扩展,裂纹萌生和早期扩展的方向与速度都取的位置距离试样桥足左边缘的距离,且裂纹产生处的决于该面上的应力和应变,所以疲劳破坏也就发生在磨损比其他地方都要严重,如图3所示。除了微动磨这个面上,则这个面就称之为临界平面。寻找临界面损对试