基于結(jié)構(gòu)初始不連續(xù)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)全壽命評(píng)定方法

1、基于結(jié)構(gòu)初始不連續(xù)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)全壽命評(píng)定方法論文導(dǎo)讀：目前國內(nèi)對(duì)材料初始不連續(xù)狀態(tài)的研究不多。主要有陳躍良、胡家林等對(duì)2024-T3鋁合金的IDS進(jìn)行了研究。而后利用美國空軍的專用軟件AFGROW。構(gòu)建了結(jié)構(gòu)全壽命分析的根本框架。關(guān)鍵詞：初始不連續(xù)狀態(tài)，鋁合金，AFGROW，全壽命1、引言初始不連續(xù)狀態(tài)Initial Discontinuity State，IDS指的是材料或結(jié)構(gòu)中不連續(xù)狀態(tài)如制造加工缺陷、擦傷、小孔、夾雜等的初始尺寸和數(shù)量【1】。IDS與當(dāng)量初始裂紋尺寸EIFS概念相似，并且與造成試件斷裂的物理特征緊密聯(lián)系，有著明確的物理意義。初始不連續(xù)狀態(tài)的引入考慮到了整個(gè)疲勞壽命中所有可能

2、的影響因素對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響。把材料的初始缺陷應(yīng)用到疲勞壽命估算中去，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)構(gòu)件從制造完畢到最終破壞的整個(gè)損傷過程全壽命的分析。免費(fèi)論文。目前國內(nèi)對(duì)材料初始不連續(xù)狀態(tài)的研究不多，主要有陳躍良、胡家林等對(duì)2024-T3鋁合金的IDS進(jìn)行了研究，國外主要是加拿大等國家對(duì)2024，7075等鋁合金IDS做了大量實(shí)驗(yàn)分析和的研究。本文首先研究了航空鋁合金LY12CZ的疲勞壽命，而后利用美國空軍的專用軟件AFGROW，分析這批試驗(yàn)件的IDS值及其分布。構(gòu)建了結(jié)構(gòu)全壽命分析的根本框架，給出了初步算例。2、疲勞試驗(yàn)2.1 試驗(yàn)件和疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)試件材料為LY12鋁合金，化學(xué)成分組成為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%Cu：3

3、.8-4.9，Mg：1.2-1.8，Mn：0.3-0.9，F(xiàn)e：0.5，Si：0.5，Al：余量。熱處理方式為：1加熱到4945進(jìn)行淬火；2保溫小時(shí)；3放入水中冷卻96小時(shí)；4檢查硬度和抗拉強(qiáng)度是否符合規(guī)定的要求，抗拉強(qiáng)度。疲勞試驗(yàn)件：應(yīng)力集中系數(shù)Kt=1.0，試件幾何尺寸分見圖1，單位為mm，試件厚度為3.3mm。本試驗(yàn)在Material Test System 810電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，見圖2。圖1 試件幾何尺寸圖2 MTS810疲勞試驗(yàn)機(jī)2 IDS的計(jì)算和數(shù)據(jù)分析21 試驗(yàn)件IDS的計(jì)算原理通過LY12新標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件疲勞試驗(yàn)得到真實(shí)的試件疲勞壽命，把IDS看作是半圓形的外表裂紋，其半

4、徑尺寸為IDS值，然后試取不同的IDS值，以斷裂力學(xué)為根底，通過AFGROW軟件選擇適宜的疲勞裂紋擴(kuò)展速率模型和材料參數(shù)對(duì)試件的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測，直到預(yù)測的裂紋擴(kuò)展疲勞壽命數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)的實(shí)際數(shù)據(jù)接近時(shí)誤差在規(guī)定范圍之內(nèi)時(shí)，此時(shí)的IDS試取值作為IDS的最終值【1】。表一為IDS的計(jì)算結(jié)果。22 裂紋擴(kuò)展速率模型 AFGROW有很多裂紋擴(kuò)展速率模型，由于本文研究的是等幅載荷譜，不用考慮裂紋的閉合效應(yīng)，應(yīng)選擇NASGO擴(kuò)展模型。該模型考慮了裂紋擴(kuò)展過程中的裂紋形狀的變化，從而隨時(shí)改變應(yīng)力強(qiáng)度因子幅，作為有限體，其應(yīng)力強(qiáng)度因子是三維問題。NASGO擴(kuò)展速率模型如式1所示。圖3 LY12試驗(yàn)件疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)

5、果式中：、為實(shí)驗(yàn)確定的材料常數(shù)，在本文中取=1.5451e-010，=3.284，=0.5，=1。本文的疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在應(yīng)力比R=0.06、0.2、0.5時(shí)得出的圖3是所用的NASGO擴(kuò)展速率模型在R=0.06、0.2、0.5時(shí)的裂紋擴(kuò)展曲線。圖4 NASGO在R=0.06、0.2、0.5 時(shí)的裂紋擴(kuò)展速率曲線2.3 AFGROW裂紋模型圖4是AFGROW對(duì)試驗(yàn)件橫截面建立的中心半圓形模型。IDS看作是中心半圓形的外表裂紋，其半徑尺寸為IDS值。如圖5圖5 IDS等效的半圓外表裂紋模型2.4 IDS分布規(guī)律研究根據(jù)陳躍良等在文獻(xiàn)【2】中所使用的方法對(duì)上表格的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，假設(shè)IDS尺寸服從正態(tài)

6、分布、Gumble第一極值分布，Logistic分布以及三參數(shù)Weibull分布，進(jìn)行比擬。得到4種分布的相關(guān)系數(shù)。分別為：正態(tài)分布= 0.9784，Gumble第一極值分布=0.9688， Logistic分布表一 IDS計(jì)算結(jié)果 應(yīng)力比 IDS值 0.06 0.151;0.163;0.163;0.157; 0.172;0.122;0.175;0.199; 0.171;0.152;0.148;0.140; 0.127;0.182;0.157;0.081; 0.104;0.111;0.150;0.113; 0.165;0.092 0.2 0.136;0.122;0.137;0.106; 0.1

7、21;0.161;0.166;0.128; 0.157;0.144;0.150;0.140; 0.165;0.143;0.140;0.140; 0.160;0.117;0.155;0.126; 0.138;0.183;0.129; 0.5 0.107;0.117;0.082;0.072; 0.105;0.117;0.098;0.115; 0.113;0.081;0.072;0.088; 0.084;0.094;0.086;0.073; 0.093;0.085;0.108;0.094; =0.9632，三參數(shù)Weibull分布=0.9856?？梢钥闯稣龖B(tài)分布的相關(guān)系數(shù)和三參數(shù)Weibull分布的

8、相關(guān)系數(shù)接近，當(dāng)=34時(shí)Weibull分布頻率分布函數(shù)接近正態(tài)分布頻率函數(shù)【3】。三參數(shù)Weibull分布的相關(guān)系數(shù)值最大，故可以認(rèn)為LY12 鋁合金IDS尺寸服從三參數(shù)Weibull分布。三參數(shù)Weibull分布的概率密度函數(shù)為:為位置參數(shù)，為尺寸參數(shù)，為形狀參數(shù)。其中：=0.0180，=0.1214，=3.7200。累積分布函數(shù)為：3 基于IDS的結(jié)構(gòu)全壽命分析基于IDS，可以依據(jù)斷裂力學(xué)理論對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全壽命分析。裂紋擴(kuò)展機(jī)理復(fù)雜影響因素很多，而恒幅載荷下材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率確實(shí)定是結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展壽命分析的根底。本文采NASGRO公式來表征裂紋擴(kuò)展速率，見公式41。 疲勞壽命計(jì)算過程中以

9、材料的IDS分布作為初始參量，將IDS等效為半圓型的外表裂紋，利用NASGRO公式確定的裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展分析，進(jìn)而得到相應(yīng)的試件疲勞壽命分布。原理如圖6所示：圖6 基于IDS的全壽命示意圖4 算例與分析根據(jù)上述所得出的IDS分布,用蒙特卡洛生成了一組20個(gè)符合Weibull分布的IDS值。作為這批試驗(yàn)件的IDS值，利用所建立的裂紋擴(kuò)展速率模型，通過AFGROW軟件對(duì)LY12鋁合金試驗(yàn)件疲勞壽命進(jìn)行估算。以R=0.02,最大應(yīng)力為308MPa為例,如圖6，預(yù)測的壽命值涵蓋了實(shí)際的實(shí)驗(yàn)壽命值，并且預(yù)測壽命的均值為74049，實(shí)際實(shí)驗(yàn)壽命值為64117。圖7同時(shí)給出了LY12鋁合金實(shí)驗(yàn)件

10、在R=0.02,最大應(yīng)力為321.52MPa下IDS尺寸和疲勞壽命之間的關(guān)系曲線。免費(fèi)論文。分析說明，新試驗(yàn)件的預(yù)測的疲勞壽命值和實(shí)驗(yàn)實(shí)際的疲勞壽命值且預(yù)測結(jié)果平均值比實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值稍偏大。造成這種誤差的可能原因是：一、LY12鋁合金試驗(yàn)件數(shù)目缺乏夠，且只做了實(shí)驗(yàn)方案下的三組應(yīng)力比，得出的IDS分布不夠精確。二、在R=0.02,最大應(yīng)力為321.52MPa下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠多，且有較大分散性和隨機(jī)性。三、生成的一組符合上述Weibull分布的IDS值的個(gè)數(shù)不夠多。圖7 IDS與壽命關(guān)系曲線5 結(jié)論1通過MTS810疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)得出了在給定實(shí)驗(yàn)方案下LY12鋁合金新試驗(yàn)件的疲勞壽命。然后以斷裂力學(xué)為

11、根底，通過AFGROW軟件選取適宜的模型和材料參數(shù)反推出了這批LY12鋁合金新實(shí)驗(yàn)件的IDS值。2采用四種分布對(duì)IDS數(shù)據(jù)的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)較符合三參Weibull分布,并得出了三參Weibull分布的累積分布函數(shù)。3提出的基于IDS的結(jié)構(gòu)全壽命分析模型，具有較強(qiáng)的物理根底，算例與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，可以用于結(jié)構(gòu)全壽命評(píng)估。免費(fèi)論文。4算例結(jié)果說明，試驗(yàn)件的預(yù)測疲勞壽命值和試驗(yàn)實(shí)際的疲勞壽命值且預(yù)測結(jié)果平均值比實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值偏大。要通過更多的疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取更多的IDS值，才能更為準(zhǔn)確的求出IDS分布，從而提高了全壽命模型估算的準(zhǔn)確性。參考文獻(xiàn)：【1】胡家林，陳躍良,郁大照.2024-T3鋁合金初始不連續(xù)狀態(tài)研究.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2007，271：9-11.Hu J L, Chen Y L, Yu D Z. Study on the Initial Discontinuity State of 2024-T3 Aluminium Alloy.Corrosionscience and protection technology,2007,27(1):9-11【2】陳躍良，楊曉華，秦海勤.飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷分布規(guī)律研究，材料科學(xué)與工程,2002，203：3