含刮痕缺陷的7050-T7451铝合金板疲劳寿命预估

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1、2015年9月北京航空航天大学学报September2015第41卷第9期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．41No．9http：∥bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0656含刮痕缺陷的7050．T7451铝合金板疲劳寿命预估詹志新1，胡伟平“，张淼2，孟庆春1(1．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191；2．中国空间技术研究院，北京100094)摘要：针对含刮痕

2、缺陷的7050一T7451铝合金板的疲劳损伤问题进行了研究，通过考虑刮擦后残余应力、塑性损伤以及疲劳载荷的共同作用，预估了含刮痕铝合金板的疲劳寿命．对刮痕的产生进行非线性动力学有限元(FE)分析，得到了刮痕处的残余应力场与塑性应变场；根据塑性损伤方程，计算了在刮擦过程中刮痕处由于塑性变形产生的初始损伤场；基于多轴疲劳的损伤力学模型，建立了疲劳损伤分析的有限元数值解法，并对损伤演化方程中的材质参数进行了标定；综合考虑残余应力场、塑性初始损伤和疲劳损伤，对含刮痕的铝合金板进行了疲劳寿命预估，并与试样的疲劳试验结果进行了比较，理论估计和试验得到了相一致的疲劳寿

3、命结果，验证了方法的可行性．本文研究为工程中含刮痕结构的疲劳寿命预估提供了一种本文方法和实用手段．关键词：刮痕；残余应力；塑性损伤；疲劳损伤；寿命预估中图分类号：0346．5文献标识码：A文章编号：1001．5965(2015)09—1678-08构件的疲劳寿命除了与材料、结构形式和载荷谱直接相关外，还有一类意外因素需要考虑，即构件在制造和装配过程中受到意外撞击或刮擦，在构件表面出现缺陷(如凹坑、刮痕等)，从而降低构件的疲劳寿命。1。．如果将所有含初始缺陷的构件定为不合格产品，将大大增加生产成本，造成不必要的浪费．因为一些含缺陷的结构件仍然能够承受循环载

4、荷，甚至满足疲劳寿命的要求．因此，对含初始缺陷的结构件进行疲劳寿命预测是非常必要的．对于常规金属构件的疲劳寿命分析，主要方法有名义应力法、局部应力应变法、临界平面法和损伤力学方法．名义应力法旧1是最早出现的一种疲劳寿命估算方法，这种方法在实际工程应用中可以用于设计阶段粗略估算一些应力水平较低、受力状态简单的简单结构的疲劳寿命，不适合解决复杂情况的疲劳问题．局部应力应变法"41是20世纪60年代中期以后逐步形成的一种疲劳寿命预测方法，它以缺口根部的局部应力应变历程为依据，再结合材料相应的疲劳特性曲线进行寿命估算．这一方法比较适合处理单轴受力状态构件的中、低

5、轴疲劳问题．临界平面法¨刮的概念是建立在疲劳裂纹萌生和扩展机理上的，该方法将材料发生最大损伤平面上的应力应变参数作为多轴疲劳损伤参量．但该方法中的疲劳损伤参量物理意义不明确，仍然是一种半经验的方法．损伤力学是近几十年在连续介质力学理论基础上发展起来的一个固体力学分支学科．它是通过引入损伤变量来研究结构材料的力学性能在载荷的作用下逐渐退化，最后导致破坏的规律和机理¨剖．它的主要优点是数学形式相对较简单，物理意义相对较明确．收稿日期：2014-10-22；录用日期：2015-01-12；网络出版时间：2015-03—1018：00网络出版地址：www．cnk

6、i．net／kcms／detail／11．2625．V．20150310．1800．001．html基金项目：北京航空航天大学基本科研业务费．博士研究生创新基金作者简介：詹志新(1988一)，男，山东聊城人，博士研究生，zzxupc@163．cornt通讯作者：胡伟平(1975一)，男，湖南常德人，副教授，huweiping@buaa．edu．ell，主要研究方向为疲劳与损伤力学引用格式：詹志新，胡伟平，张淼，等．含刮痕缺陷的7050-T7451铝合金板疲劳寿命预估fJJ．北京航空航天大学学报，2015，4J(9)：1678—1685．ZhanZX，Hu

7、wP，ZhangM，eta1．Fatiguelifepredictionfor7050一T7451aluminumalloyplatewithscratchdefectfi7_．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41p)：1678-1685(inChinese)．第9期詹志新，等：含刮痕缺陷的7050．T7451铝合金板疲劳寿命预估1679然而，由于缺陷的复杂影响，以上研究常规金属构件疲劳问题的方法不能直接用于含缺陷金属构件的疲劳寿命预估．缺陷对金属构件疲劳寿命的影响主

8、要体现在3个方面：①缺陷周围存在残余应力场；②缺陷局部存在塑性损伤；③缺陷局部存