考虑冲击缺陷的钛合金板的疲劳寿命预估

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAslrOnaulicaSinicaJuI．252016VoI_37No72200．2207ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：∥hkxbbuaa．edu．cnhkxb(鱼buaa．edu．cn考虑冲击缺陷的钛合金板的疲劳寿命预估詹志新，佟阳，李彬恺，胡伟平*，孟庆春北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083摘要：基于连续损伤力学理论，研究了含冲击凹坑缺陷的Ti_1023钛合金板的疲劳损伤问题。通过分析冲击损伤与疲劳损伤的共同作用

2、以及应力场与损伤场的耦合作用，对含冲击凹坑的钛合金板的疲劳寿命进行了预估。首先，基于连续介质运动学理论，采用非线性动力学有限元分析软件进行冲击损伤的模拟，得到冲击凹坑处的残余应力场与塑性应变场。其次，根据塑性损伤方程，计算冲击凹坑局部的初始损伤场，并将其作为后续疲劳计算的初始条件。然后，采用Chaudonneret的多轴疲劳损伤力学模型建立损伤力学一有限元数值解法，以进行损伤演化过程的数值计算。最后，综合考虑残余应力场、塑性初始损伤和疲劳损伤的共同作用，对含冲击凹坑的钛合金板进行了疲劳寿命预估，并进行了

3、相应的疲劳验证试验。结果表明，预估结果与试验结果相一致。所做研究为工程中采用损伤力学方法来预估含冲击损伤的结构的疲劳寿命提供了一种可行的方法。关键词：冲击凹坑；残余应力；损伤力学；塑性变形；疲劳寿命中图分类号：V215．5；0346．5文献标识码：A文章编号：1000一6893(2016)07—2200—08在实际的工程应用中，结构件常常承受循环载荷，因此，疲劳破坏是工程结构的主要破坏形式之一[1]，而预估结构件的疲劳寿命也成为一个热点问题。众所周知，构件的疲劳寿命与材料、结构形式和循环载荷紧密相关；但

4、是，往往还有一类因素需要考虑，即构件在生产过程中有可能会意外地受到冲击损伤，在构件的局部形成一个轻微的凹坑缺陷，从而降低构件的疲劳寿命。比如，直升机的传力结构——自动倾斜器固定盘，在生产制造过程中，很容易受到含不规则边缘的硬质物体的碰撞，造成冲击损伤，从而显著地降低固定盘的疲劳寿命；在飞机飞行时，飞鸟和金属碎片等常常会被吸人发动机，撞击在发动机的叶片上，造成冲击损伤，这也会降低发动机叶片的使用寿命。然而一些含冲击凹坑的构件仍然可以满足疲劳寿命的设计要求，继续使用，因此，对受冲击损伤的构件进行疲劳寿命预测

5、是有必要的。目前，研究疲劳问题的方法大多为基于试验和以统计为基础的经验公式。这类方法需要依赖大量的构件疲劳试验口]，会耗费大量的人力、物力和财力。因此，为了方便地预估构件的疲劳寿命，很多学者对疲劳累积损伤理论进行了研究，目前已经提出了多种疲劳损伤累积理论[3。5]。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[6书]。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。基于连续损伤力

6、学的疲劳累积理论是对构件进行疲劳寿命预估的最有效的方法之一。收稿日期：2015．07—23；退修日期：2015-10—27；录用日期：2015·11—03；网络出版时间：2015—11—2009：40网络出版地址：wwwcnkinet／kcms／detail／11．1929V．201511200940．006htmI基金项目：北京航空航天大学基本科研业务费一博士研究生创新基金*通讯作者．Tel：010—82317017E—mail：huweiping@buaaeducn爨弱格式；詹志新，佟阳．李彬恺，等

7、．考虑冲击缺略的钛合金板的疲劳寿命预估[如i航空学报．2016，37(7)：2200一2207．ZHANZX。TONGY“lBK．et“Fa“gue

8、{fepredictIonfortitan．ump

9、ate∞nslder

10、ng．mDactdefect【如．AdaAeronauticae{As{ronauticaslnlca．2016。37(7)：2200—2207．詹志新，等：考虑冲击缺陷的钛合金板的疲劳寿命预估Chaboche和I。esne[43首次将连续损伤力学方法应用于疲劳寿命预测，Lemait

11、re和Desmorat。91基于连续损伤力学理论，提出了多个损伤演化方程。受冲击损伤的构件的疲劳问题比常规结构的疲劳问题要复杂得多，主要是需要考虑冲击凹坑缺陷对构件疲劳寿命的影响，具体表现在3个方面：冲击凹坑局部的残余应力应变场[1“11I、凹坑局部的初始塑性损伤和凹坑处的应力集中[12I。本文以连续损伤力学理论为基础，提出了一种新的预估含冲击凹坑钛合金板的疲劳寿命的方法，该方法综合考虑了初始损伤场、残余应力场以及疲劳损伤影响。进行含冲击凹