民機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞-損傷容限載荷譜加重研究.pdf

1、全尺寸飛機(jī)疲勞試驗(yàn)周期對(duì)民機(jī)研發(fā)影響重大，各國都在不斷地探索和實(shí)踐各種方法和途徑，以達(dá)到縮短試驗(yàn)周期的目的。本文以民機(jī)全尺寸結(jié)構(gòu)疲勞加速試驗(yàn)技術(shù)中的載荷譜加重為研究目標(biāo)，從疲勞載荷譜加重、損傷容限載荷譜加重和廣布疲勞損傷容限載荷譜加重三個(gè)方面系統(tǒng)深入地研究，進(jìn)行了典型金屬材料結(jié)構(gòu)的載荷譜加重試驗(yàn)及計(jì)算分析理論驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)建立了疲勞/損傷容限載荷譜加重分析軟件平臺(tái)，包括疲勞/損傷容限載荷譜加重壽命模型建立、原譜壽命預(yù)測和加重

2、系數(shù)選擇，為全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞加速試驗(yàn)提供理論和技術(shù)支持，具體內(nèi)容如下：
　　(1)進(jìn)行了飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞/損傷載荷譜加重的試驗(yàn)研究，完成了26件30CrMnSiNi2A材料的隨機(jī)疲勞載荷譜加重試驗(yàn)，67件LY12_CZ材料的大、小壁板的單孔裂紋擴(kuò)展的載荷譜加重試驗(yàn)和18件LY12_CZ材料單排7孔的廣布疲勞損傷載荷譜加重試驗(yàn)。
　　(2)開展了隨機(jī)載荷譜疲勞加重方法研究，基于結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞特征值的當(dāng)量名義應(yīng)力法和局部應(yīng)力應(yīng)變

3、法兩種模型對(duì)隨機(jī)載荷譜壽命進(jìn)行預(yù)測，采用疲勞載荷譜加重試驗(yàn)對(duì)選用的材料參數(shù)和壽命預(yù)測模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞特征值的當(dāng)量名義應(yīng)力法與局部應(yīng)力應(yīng)變法相比跟試驗(yàn)結(jié)果具有更好的一致性。在此基礎(chǔ)上建立了疲勞載荷譜加重的疲勞壽命加重模型，根據(jù)疲勞壽命縮短試驗(yàn)時(shí)間的比例，選擇合適的疲勞試驗(yàn)加重系數(shù)，或者已知加重系數(shù)和加重譜疲勞壽命，估算原譜疲勞壽命。
　　(3)開展了單孔裂紋擴(kuò)展載荷譜加重方法研究，應(yīng)用 Paris模型和高載遲滯W

4、illenborg-Chang模型預(yù)測常幅譜和隨機(jī)譜裂紋擴(kuò)展壽命，并與單孔裂紋擴(kuò)展載荷譜加重試驗(yàn)的臨界裂紋長度、裂紋擴(kuò)展長度-循環(huán)數(shù)曲線和裂紋擴(kuò)展壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果顯示兩種模型計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值吻合得很好。在此基礎(chǔ)上建立了裂紋擴(kuò)展壽命加重模型，根據(jù)裂紋擴(kuò)展壽命縮短試驗(yàn)時(shí)間的比例，選擇合適的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)加重系數(shù)，或者已知加重系數(shù)和加重譜裂紋擴(kuò)展壽命，估算裂紋擴(kuò)展的原譜壽命。在裂紋擴(kuò)展載荷譜加重系數(shù)小于1.25時(shí)，小壁板和大壁板在常

5、幅譜和隨機(jī)譜下經(jīng)過歸一化處理后，隨著載荷系數(shù)的增加，無論是小壁板或大壁板，還是常幅載荷或隨機(jī)載荷譜，載荷加重系數(shù)-加重譜壽命/原譜壽命比曲線與載荷加重系數(shù)-原譜壽命/加重譜壽命比曲線都吻合得很好。根據(jù)這一結(jié)論，在進(jìn)行大試件隨機(jī)載荷譜加重分析時(shí)，可應(yīng)用相同材料與小尺寸裂紋結(jié)構(gòu)形式相同的試件進(jìn)行常幅載荷譜加重試驗(yàn)分析來確定加重系數(shù)選擇模型和原譜裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測模型，然后根據(jù)少量的大尺寸加重譜的裂紋擴(kuò)展壽命試驗(yàn)，確定原譜裂紋擴(kuò)展壽命，減少試驗(yàn)

6、的費(fèi)用和時(shí)間。
　　(4)開展了廣布疲勞損傷容限載荷譜加重方法研究，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子增加相互影響因子參數(shù)，應(yīng)用Paris模型和Willenborg-Chang模型預(yù)測廣布疲勞損傷的常幅譜和隨機(jī)譜裂紋擴(kuò)展壽命，并和廣布疲勞損傷裂紋擴(kuò)展載荷譜加重試驗(yàn)裂紋擴(kuò)展長度-循環(huán)數(shù)曲線和裂紋擴(kuò)展壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果顯示這兩種模型計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值吻合得很好。在此基礎(chǔ)上建立了廣布疲勞損傷載荷譜加重的多裂紋擴(kuò)展壽命加重模型，根據(jù)多裂紋擴(kuò)展

7、壽命縮短試驗(yàn)時(shí)間的比例，選擇合適的多裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的加重系數(shù)，或者已知加重系數(shù)和加重譜多裂紋擴(kuò)展壽命，估算多裂紋擴(kuò)展的原譜壽命。在常幅譜和隨機(jī)譜下經(jīng)過歸一化處理后，當(dāng)加重系數(shù)小于1.25時(shí)，載荷加重系數(shù)-加重譜壽命/原譜壽命比曲線和載荷加重系數(shù)-原譜壽命/加重譜壽命比曲線都吻合得很好。應(yīng)用這個(gè)結(jié)論在進(jìn)行廣布疲勞損傷隨機(jī)載荷譜加重分析時(shí)，可應(yīng)用常幅載荷譜先進(jìn)行加重試驗(yàn)，確定加重系數(shù)選擇模型和原譜裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測模型，然后根據(jù)少量的隨機(jī)譜的廣

8、布疲勞損傷加重試驗(yàn)，確定原譜裂紋擴(kuò)展壽命，減少試驗(yàn)的費(fèi)用和時(shí)間。
　　(5)在金屬結(jié)構(gòu)疲勞/損傷容限載荷譜加重理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立了疲勞/損傷容限載荷譜加重系數(shù)選取和原譜疲勞/裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測軟件平臺(tái)。該平臺(tái)采用C++語言，分為數(shù)據(jù)庫管理、疲勞載荷譜加重、損傷容限載荷譜加重、廣布疲勞損傷容限載荷譜加重和結(jié)果監(jiān)控五個(gè)模塊。在數(shù)據(jù)庫管理中包括文件名字、項(xiàng)目備注、載荷譜所在位置和模型參數(shù)等信息。疲勞載荷譜加重、損傷容限載荷譜加重和廣布