基于扩展有限元的钛合金层合结构裂纹扩展特性研究

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1、成形组织结构与性能测试FORMINGMICROSTRUCTUREANDPERFORMANCETEST*基于扩展有限元的钛合金层合结构裂纹扩展特性研究XFEM-BasedAnalysisforCrackGrowthCharacteristicofDiffusionBondedLaminateofTitanium-Alloy中航工业沈阳飞机设计研究所肖　山　毕金英　孙彦鹏[摘要]基于扩展有限元方法研究含预置分层的展寿命尽可能地提高。钛合金层合板在拉-拉循环荷载作用下的疲劳裂纹扩研究发现利用扩散连接工艺制造的钛合金层合板展

2、特性，并通过与试验结果进行对比分析，验证该方法[2-3]的DB界面对疲劳裂纹的扩展有显著的抑制作用。对钛合金层合结构疲劳裂纹扩展分析的适用性。文献[2]通过试验对比分析了疲劳裂纹在扩散连接工关键词：钛合金层合板预置分层疲劳裂纹扩展艺成型的TC4层合板与TC4普通板材内的扩展情况，扩展有限元发现扩散连接成型件疲劳断口的裂纹沿与连接面约成[ABSTRACT]Theinvestigationoffatiguecrack60°方向扩展，其抵抗疲劳断裂的阻力增大，剩余寿命growthcharacteristicsofdiffu

3、sionbondedlaminatesof比相同裂纹长度下的普通板材要好。文献[3]通过试验TC4titanium-alloywithlocalizednon-weldedareaunder研究了在DB界面人为预置分层的含孔钛合金层合板tension-tensioncyclicloadingiscarriedoutusingnumeri-在拉-拉循环载荷作用下的裂纹扩展特性，试验结果表calsimulationtechniquesbasedonextendedfiniteelement明，预置分层能够改善钛合金层合板

4、的裂纹扩展特性。method(XFEM).Thecomparisonofthenumericalresults分层的存在会降低结构的承载能力，但另一方面，andtheexperimentalresultsshowthatextendedfiniteele-也可能抑制裂纹的扩展，提高结构的疲劳裂纹扩展寿mentmethod(XFEM)isaneffectivenumericalmethodfor命。文献[3]的研究结果说明，通过合理布置分层可以thefatiguecrackgrowthcharacteristicsan

5、alysis.提高钛合金疲劳裂纹的扩展寿命。实现分层的合理布Keywords:Titanium-alloylaminatesNon-welded置需要准确把握分层对裂纹扩展性能的影响规律。目areaFatiguecrackgrowthlifeExtendedfiniteele-前，对疲劳裂纹扩展规律的研究大多通过试验进行。影mentmethod(XFEM)响疲劳裂纹扩展的因素有很多，直接通过试验对裂纹扩DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2015.17.086展过程进行系统研究是非常困难的，需要

6、研究基于数值模拟技术的疲劳裂纹扩展分析方法。钛合金具有比强度高、耐久性强、抗蠕变、可焊接等[4]扩展有限元法（XFEM）通过在单元位移插值函[1]优异的综合性能，因此在航空领域得到了广泛应用。数中引入间断函数和增强函数以描述位移场的不连续但常规钛合金制成的结构中一旦出现损伤，剩余的疲劳性和奇异性，在分析不连续问题方面具有独特优势。经裂纹扩展寿命就会较短，不适用于损伤容限设计。因此，过近几年的改进与发展，XFEM方法在处理不连续问题需要研发提高钛合金损伤容限寿命技术。目前，国内外上已经取得一些成果。裂纹是典型的不连续问

7、题，扩展学者经过大量研究，已经制备出多种损伤容限型钛合金有限元方法将是一种有效的研究疲劳裂纹扩展规律的材料，并应用于飞机结构。方法。现代飞行器设计中损伤容限的设计思想要求：结构存在疲劳、腐蚀或意外损伤等损伤缺陷，直至被检测或1基于扩展有限元的裂纹扩展分析方法进行结构修理之前，结构仍然具有足够的剩余强度和足1.1含裂纹体扩展有限元方法简介够的剩余寿命。即当结构中存在疲劳裂纹时，疲劳裂纹XFEM的扩充项可以对单元内部任意位置存在的达到可检长度后的疲劳扩展寿命要足够长。这就要求裂纹或材料界面等非连续性和奇异性场进行准确描述

8、，在利用损伤容限型钛合金的基础上，在结构设计方面也因此分析时采用的网格可以与结构的几何或者物理界需要考虑损伤容限设计思想，使疲劳裂纹在结构内的扩面无关，避免了传统有限元在对裂尖或者材料界面等问题描述时必须采用高密度网格的弊端。XFEM继承了*　基金项目：国家重点基础发展（973）计划项目（2011CB61XXXX）。常规有限元(CFEM)的所有