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多位置損傷結(jié)構(gòu)疲勞壽命的試驗(yàn)探析論文

時(shí)間: 謝樺657 分享

  所謂結(jié)構(gòu)疲勞損傷,是指由于重復(fù)荷載作用而引起的結(jié)構(gòu)材料性能衰減的過(guò)程,也就是通常所說(shuō)的疲勞裂紋的發(fā)生、發(fā)展、形成宏觀裂紋、發(fā)生破壞的全過(guò)程。疲勞損傷與普通損傷的最大區(qū)別在于隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加,疲勞中的損傷存在一個(gè)累積的過(guò)程。以下是學(xué)習(xí)啦小編今天為大家精心準(zhǔn)備的:多位置損傷結(jié)構(gòu)疲勞壽命的試驗(yàn)探析相關(guān)文。內(nèi)容僅供參考,歡迎閱讀!

  多位置損傷結(jié)構(gòu)疲勞壽命的試驗(yàn)探析全文如下:

  引言

  隨著飛機(jī)使用年限的增加,搭接板( 殼) 結(jié)構(gòu)中的裂紋隨機(jī)分布于一排共線鉚釘孔的邊緣,這便構(gòu)成了飛機(jī)結(jié)構(gòu)中典型的多部位損傷( MSD) 的幾何特征。這種結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)安全性形成極大威脅,因此認(rèn)識(shí)其發(fā)展變化規(guī)律有著十分重要的意義。

  計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展的方法通常有理論方法、仿真方法和試驗(yàn)方法。在利用理論方法計(jì)算MSD 裂紋的疲勞擴(kuò)展壽命時(shí),通常需要先計(jì)算裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子,由于MSD 結(jié)構(gòu)復(fù)雜且通常具有多個(gè)疲勞源,因此利用解析法計(jì)算MSD 結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度因子具有一定的難度。隨著有限元軟件的發(fā)展,運(yùn)用有限元方法對(duì)MSD 裂紋的疲勞擴(kuò)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(duì)疲勞裂紋問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算時(shí)往往需要進(jìn)行十分復(fù)雜的流程操作,因而在實(shí)際應(yīng)用上或多或少也受到了一定的局限。

  本文采用試驗(yàn)方法對(duì)含MSD 某型飛機(jī)典型鉚接壁板進(jìn)行分析。通過(guò)觀察板上各孔邊裂紋的裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象,記錄其裂紋擴(kuò)展壽命,總結(jié)出典型MSD 結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展規(guī)律。

  1 試驗(yàn)過(guò)程

  1. 1 研究對(duì)象與結(jié)構(gòu)模型

  選取飛機(jī)典型鉚接壁板結(jié)構(gòu)模擬件—有限共線5孔邊對(duì)稱裂紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)。

  壁板各孔邊兩側(cè)線切割1mm 預(yù)制切口,壁板的線切割位置及尺寸。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(qiáng)度σb = 455MPa,屈服強(qiáng)度σp0. 2 =414MPa,彈性模量E = 71. 4GPa,泊松比μ = 0. 3。

  試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模擬件共2 件,編號(hào)為SY1 和SY2。在空氣環(huán)境中進(jìn)行預(yù)腐蝕、疲勞起裂和疲勞擴(kuò)展試驗(yàn)。

  1. 2 試驗(yàn)方案

  采用PLS-100 電液伺服疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行模擬件在試驗(yàn)環(huán)境下的疲勞起裂和裂紋擴(kuò)展試驗(yàn),其靜載荷誤差在1%以內(nèi),動(dòng)載誤差在3%以內(nèi)。采用專用夾具對(duì)試樣進(jìn)行夾持。采用寬范圍顯微鏡觀測(cè)記錄孔邊裂紋萌生情況和擴(kuò)展數(shù)據(jù)。

  疲勞起裂和裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)步驟如下:

  ( 1) 安裝試樣;

  ( 2) 按載荷水平進(jìn)行疲勞起裂試驗(yàn),R =0. 06,頻率5Hz。每隔5000 次觀測(cè)孔邊是否萌生裂紋。當(dāng)孔邊切口處萌生平均長(zhǎng)度約1mm 的裂紋時(shí),進(jìn)行裂紋擴(kuò)展試驗(yàn);

  ( 3) 按載荷水平進(jìn)行裂紋擴(kuò)展試驗(yàn),平均每擴(kuò)展約0. 5mm,采用寬范圍顯微鏡記錄所有孔邊裂紋擴(kuò)展a - N 數(shù)據(jù);

  ( 4) 直至裂紋貫通,隨后試件斷裂,停止試驗(yàn)。

  2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

  對(duì)試驗(yàn)件原始裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)進(jìn)行處理( 不計(jì)疲勞起裂次數(shù),裂紋長(zhǎng)度為裂尖至孔邊距離,孔序號(hào)由左至右為1 ~ 5)。

  除去起裂循環(huán)次數(shù)后,對(duì)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(duì)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(kuò)展數(shù)據(jù),可以得到:

  ( 1) 對(duì)于試件的結(jié)構(gòu)而言,孔1 ~ 孔5 的所有裂紋在裂紋擴(kuò)展初期有著近乎一致的裂紋擴(kuò)展特性。因?yàn)榇藭r(shí)裂紋主要受到來(lái)自起裂孔的影響,相同的起裂孔結(jié)構(gòu)及裂紋分布導(dǎo)致了這一現(xiàn)象的產(chǎn)生。

  ( 2) 隨著裂紋擴(kuò)展,十條裂紋的裂紋擴(kuò)展情況有所差異,其中孔3 左右兩側(cè)裂紋的裂紋擴(kuò)展速度快于其他孔邊裂紋。因?yàn)樵谶@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(cè)裂紋受到的總的影響最大。

  ( 3) 隨著裂紋擴(kuò)展,鄰近孔( 或者有限板邊界) 對(duì)裂紋的影響逐漸增大。當(dāng)這種影響成為主導(dǎo)時(shí),孔邊裂紋的裂紋擴(kuò)展速度便有了較快的增長(zhǎng),當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度,則發(fā)生了裂紋的貫通,致使結(jié)構(gòu)損壞。

  3 結(jié)論

  在典型MSD 損傷模式下,影響裂紋擴(kuò)展和疲勞壽命的主要因素有兩個(gè):

 ?、賮?lái)自于孔自身的應(yīng)力集中的影響,這種影響主要表現(xiàn)在孔邊裂紋擴(kuò)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(kuò)展中后期即中長(zhǎng)裂紋時(shí)期,它能夠真正反映MSD 裂紋的特有性質(zhì)。

  裂紋擴(kuò)展到一定長(zhǎng)度后,孔自身的影響很快衰減,而鄰孔、鄰近裂紋、凈截面應(yīng)力升高及邊界影響增強(qiáng),此時(shí)裂紋擴(kuò)展開始有所差異。當(dāng)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始產(chǎn)生嚴(yán)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(xiǎn)的后果。

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