多位置損傷結構疲勞壽命的試驗探析論文
引言
隨著(zhù)飛機使用年限的增加，搭接板( 殼) 結構中的裂紋隨機分布于一排共線(xiàn)鉚釘孔的邊緣，這便構成了飛機結構中典型的多部位損傷( MSD) 的幾何特征。這種結構會(huì )對飛機的結構安全性形成極大威脅，因此認識其發(fā)展變化規律有著(zhù)十分重要的意義。
計算疲勞裂紋擴展的方法通常有理論方法、仿真方法和試驗方法。在利用理論方法計算MSD 裂紋的疲勞擴展壽命時(shí)，通常需要先計算裂紋的應力強度因子，由于MSD 結構復雜且通常具有多個(gè)疲勞源，因此利用解析法計算MSD 結構應力強度因子具有一定的難度。隨著(zhù)有限元軟件的發(fā)展，運用有限元方法對MSD 裂紋的疲勞擴展進(jìn)行仿真求解成為了一種較新穎的嘗試。但ANSYS、ABAQUS、NASTRA 等大型有限元軟件在對疲勞裂紋問(wèn)題進(jìn)行計算時(shí)往往需要進(jìn)行十分復雜的流程操作，因而在實(shí)際應用上或多或少也受到了一定的局限。
本文采用試驗方法對含MSD 某型飛機典型鉚接壁板進(jìn)行分析。通過(guò)觀(guān)察板上各孔邊裂紋的裂紋擴展現象，記錄其裂紋擴展壽命，總結出典型MSD 結構的裂紋擴展規律。
1 試驗過(guò)程
1. 1 研究對象與結構模型
選取飛機典型鉚接壁板結構模擬件—有限共線(xiàn)5孔邊對稱(chēng)裂紋結構進(jìn)行試驗。
壁板各孔邊兩側線(xiàn)切割1mm 預制切口，壁板的線(xiàn)切割位置及尺寸。模擬件壁板采用2mm 厚2024-T62 鋁合金薄板，其斷裂韌KΙc = 50MPa·槡m ，抗拉強度σb = 455MPa，屈服強度σp0. 2 =414MPa，彈性模量E = 71. 4GPa，泊松比μ = 0. 3。
試驗結構模擬件共2 件，編號為SY1 和SY2。在空氣環(huán)境中進(jìn)行預腐蝕、疲勞起裂和疲勞擴展試驗。
1. 2 試驗方案
采用PLS-100 電液伺服疲勞實(shí)驗機進(jìn)行模擬件在試驗環(huán)境下的疲勞起裂和裂紋擴展試驗，其靜載荷誤差在1%以?xún)�，�?dòng)載誤差在3%以?xún)�。采用�?zhuān)用夾具對試樣進(jìn)行夾持。采用寬范圍顯微鏡觀(guān)測記錄孔邊裂紋萌生情況和擴展數據。
疲勞起裂和裂紋擴展試驗步驟如下:
( 1) 安裝試樣;
( 2) 按載荷水平進(jìn)行疲勞起裂試驗，R =0. 06，頻率5Hz。每隔5000 次觀(guān)測孔邊是否萌生裂紋。當孔邊切口處萌生平均長(cháng)度約1mm 的裂紋時(shí)，進(jìn)行裂紋擴展試驗;
( 3) 按載荷水平進(jìn)行裂紋擴展試驗，平均每擴展約0. 5mm，采用寬范圍顯微鏡記錄所有孔邊裂紋擴展a - N 數據;
( 4) 直至裂紋貫通，隨后試件斷裂，停止試驗。
2 試驗結果與分析
對試驗件原始裂紋擴展數據進(jìn)行處理( 不計疲勞起裂次數，裂紋長(cháng)度為裂尖至孔邊距離，孔序號由左至右為1 ～ 5)。
除去起裂循環(huán)次數后，對于試件SY1，循環(huán)至56005 次，孔4 右和孔5 左貫通; 循環(huán)至56039 次，孔3右和孔4 左貫通，隨后試件斷裂。對于試件SY2，循環(huán)至59302 次，試件發(fā)生斷裂。
通過(guò)分析裂紋擴展數據，可以得到:
( 1) 對于試件的結構而言，孔1 ～ 孔5 的所有裂紋在裂紋擴展初期有著(zhù)近乎一致的裂紋擴展特性。因為此時(shí)裂紋主要受到來(lái)自起裂孔的影響，相同的起裂孔結構及裂紋分布導致了這一現象的產(chǎn)生。
( 2) 隨著(zhù)裂紋擴展，十條裂紋的裂紋擴展情況有所差異，其中孔3 左右兩側裂紋的裂紋擴展速度快于其他孔邊裂紋。因為在這一階段，裂紋不僅受到起裂孔的影響還受到其他孔以及有限板邊界的影響。每條裂紋受到影響的具體來(lái)源和大小均有所不同，但顯然，孔3 左右兩側裂紋受到的總的影響最大。
( 3) 隨著(zhù)裂紋擴展，鄰近孔( 或者有限板邊界) 對裂紋的影響逐漸增大。當這種影響成為主導時(shí)，孔邊裂紋的裂紋擴展速度便有了較快的增長(cháng)，當裂紋擴展到一定程度，則發(fā)生了裂紋的貫通，致使結構損壞。
3 結論
在典型MSD 損傷模式下，影響裂紋擴展和疲勞壽命的主要因素有兩個(gè): ①來(lái)自于孔自身的應力集中的影響，這種影響主要表現在孔邊裂紋擴展初期即短裂紋時(shí)期，它是任何孔邊裂紋都具有的特性，而并非MSD 裂紋所特有的性質(zhì); ②來(lái)自裂紋間的相互干涉，這種影響主要發(fā)生在孔邊裂紋擴展中后期即中長(cháng)裂紋時(shí)期，它能夠真正反映MSD 裂紋的特有性質(zhì)。裂紋擴展到一定長(cháng)度后，孔自身的影響很快衰減，而鄰孔、鄰近裂紋、凈截面應力升高及邊界影響增強，此時(shí)裂紋擴展開(kāi)始有所差異。當裂紋與鄰近裂紋的距離接近孔間距的40%時(shí)，裂紋與鄰近裂紋將開(kāi)始產(chǎn)生嚴重干涉。此時(shí)若不考慮裂紋間的相互影響將會(huì )引致危險的后果。
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