（固体力学专业论文）孔边弹塑性变形与疲劳循环次数相关性的试验研究.pdf

摘要飞机起落架、发动机的工作叶片及轮盘等关键部件，在使用过程中由于疲劳累积损伤裂纹，造成突然断裂等失效的现象极为普遍。因此，研究零构件从裂纹成核至微裂纹萌生，再至宏观裂纹的亚临界扩展到零件的最终断裂的全过程的材料行为，建立材料损伤与寿命的联系，提高寿命预测方法，对于发动机结构零件的寿命管理及可靠性控制甚为重要。研究表明，材料的应变疲劳寿命与裂端的塑性应变有关。因此，研究测量应变集中区域的弹塑性变形及其与疲劳循环次数相关性，对于研究裂纹萌生期的材料损伤或微裂纹的产生，获得材料早期的损伤信息，为预防零件中宏观裂纹的产生及扩展具有十分重要的意义。本文的研究工作主要基于沈阳发动机设计研究所的委托项目：“发动机关键部件的损伤容限设计方法研究”主要研究内容如下：1 对a 3 钢、硬铝和g h 4 1 6 9 三种不同材料的带孔拉伸试件，在疲劳载荷作用下孔边残余应变与疲劳循环次数的相关性进行了实验研究；2 对6 h 4 1 6 9 材料单边带孔的拉伸试件，在疲劳载荷作用下孔周残余应变分布及残余变形区形状与疲劳循环次数的相关性进行了实验研究：3 对a 3 钢和g h 4 1 6 9 两种不同材料的带孔拉伸试件，在疲劳载荷和缓慢循环载荷交替作用下，孑l 边名义应力应变关系与疲劳循环次数的相关性进行了实验研究；4 对g h 4 1 6 9 材料的单边带孔拉伸试件，在疲劳载荷和缓慢循环载荷交替作用下，孔周残余应变分布及孔边残余应变与疲劳循环次数的相关性进行了实验研究。在实验研究中，均使用数字散斑相关法作为弹塑性变形的检测技术。实验研究中获得了孔边残余应变与疲劳循环次数的相关性、7 l 周残余应变分布及残余变形区形状与疲劳循环次数的相关性、i l 边名义应力应变关系与疲劳循环次数的相关性等一系列的重要实验结果。实验研究结果对于建立材料损伤与寿命的联系、探索寿命预测方法等极为重要。关键词：疲劳循环、数字散斑相关法、残余应变、残余变形、裂纹l ua b s t r a c ts u d d e nf r a c t u r eb e c a u s eo fa c c u m u l a t i v ed a m a g ea r o u n dc r a c ki sv e r yg e n e r a li nt h ek e yc o m p o n e n t sa s s e m b l ys u c ha sa i r c r a f tl a n d i n gg e a r ，e n g i n e sp a d d i e sa n ds t e e r i n gw h e e l sa n ds oo ns or e s e a r c h i n go nm a t e r i a lb e h a v i o rs u c ha sc r a c kc o m i n gb e i n gt on u c l e u sa n dm a c r o c r a c k ss u b c r i t i c a le x p a n s i o nt of i n a lf r a c t u r e e s t a b l i s h i n gc o n n e c t i o n o ft h em a t e r i a ld a m a g ea n df a t i g u el i f e ，a n di m p r o v i n gm e t h o do ft h el i f ep r e d i c t i o n a r ei m p o r t a n tf o rl i r es u p e r v i s ea n dr e l i a b i l i t yc o n t r o lo fe n g i n e sc o m p o n e n t sa s s e m b l y t h er e s e a r c hw o r ki n d i c a t et h a t t h ef a t i g u et i m eo fm a t e r i a l sh a dr e l a t i o nw i t ht h ep l a s t i cy i e l d i n ga tt h ee n do ft h ec r a c ks om e a s u r i n gt h es t r a i na r o u n dt h eb o r ew h e r et h es t r a i ni sc e n t r a l i z e dw a so fg r e a ti m p o r t a n c et or e s e a r c ht h ed a m n i f i c a t i o no fm a t e r i a l sf o rt h ep u r p o s eo fp r e v e n t i n gt h ec r a c k si nt h ea c c e s s o r i e sf r o mf o r m i n ga n de x p a n d i n g t h et h e s i sw a sp r o p h a s ew o r ko ft h ei t e r n t h er e s e a r c hf o rf a t i g u eb r o k e nl i m i to ft h ek e yc o m p o n e n t sa s s e m b l yo fe n g i n e c o n s i g n e db yc h i n as p a c en a v i g a t i o n sf i r s tg r o u d m a t e r i a l l yc o n t a i n ：1 f o rt h r e ed i f i e r e n tk i n d so f m a t e r i a la sa 3s t e e l ，i 1 2 c z ，g h 4 1 6 9 、t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e s i d u a ls t r a i na tt h eh o l ea n df a t i g u el i r ec y c l ei sb e i n gr e s e a r c h e du n d e rf a t i g u el o a d i n g 2f o rg h 416 9s p e c i m e nw i t hs i n g l eh o l e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e s i d u a ls t r a i nd i s t r i b u t i n ga sw e l ia sd e f o r m e ds h a p ea r o u n dt h eh o l ea n df a t i g u el i f ec y c l ei sb e i n gr e s e a r c h e du n d e rf a t i g u el o a d i n ga l t e r n a t e db yg r a d u a lc y c l i cl o a d i n g3 f o ra 3s t e e la n dg h 4l6 9s p e c i m e nw i t hh o l e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en o m i n a ls t r e s sw i t hs t r a i na n df a t i g u el i r ec y c l ea tt h eh o l ei sb e i n gr e s e a r c h e du n d e rf a t i g u el o a d i n g 4 f o rg h 4 1 6 9s p e c i m e nw i t hs i n g l eh o l e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e s i d u a ls t r a i nd i s t r i b u t i n ga sw e l la sd e f o r m e ds h a p ea r o u n dt h eh o l ea n df a t i g u el i r ec y c l ei sb e i n gr e s e a r c h e du n d e rf a t i g u el o a d i n ga l t e r n a t e db yg r a d u a lc y c l i cl o a d i n g d i g i t a ls p e c k l ec o r r e l a t i o nm e t h o di sa p p l i e df o rd e t e c t i n ge l a s t o p l a s t i cd e f o r m a t i o nd u r i n ge x p e r i m e n t st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss u c ha st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e s i d u a ls t r a i na r o u n dt h eh o l ea n df a t i g u el i f ec y c l e t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e s i d u a ls t r a i nd i s t r i b u t i n ga sw e l la sd e f o r m e ds h a p ea n df a t i g u el i f ec y c l e ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en o m i n a ls t r e s sw i t hs t r a i na n df a t i g u el i f ec y c l ea r o u n dt h eh o l ea r eg o t t e nf r o me x p e r i m e n t s ，w h i c ha r ei m p o r t a n tf o re s t a b l i s h i n gc o n n e c t i o n o ft h em a t e r i a ld a m a g ea n df a t i g u el i f e ，a n di m p r o v i n gm e t h o do f t h el i f ep r e d i c t i o nk e y w o r d s ：f a t i g u ec y c l e 、d i g i t a ls p e c k l ec o r r e l a t i o nm e t h o d 、r e s i d u a ls t r a i n 、r e s i d u a ld e f o r m a t i o n 、c r a c k第一章绪论1 1 论文研究背景第一章绪论飞机起落架、发动机的工作叶片及轮盘等关键部件，在使用过程中由于疲劳累积损伤裂纹，造成突然断裂等失效的现象极为普遍。据统计，在发动机零部件的失效事件中，转子占7 0 ，而且疲劳断裂是主要失效形式。因此研究零构件从裂纹成核至微裂纹萌生，再至宏观裂纹的亚i 临界扩展到零件的最终断裂的全过程的材料行为，建立材料损伤与寿命的联系，提高寿命预测方法，对于发动机结构零件的寿命管理及可靠性控制甚为重要。研究表明，材料的应变疲劳寿命与裂端的塑性应变有关。因此，研究测量应变集中区域的弹塑性变形及其与疲劳循环次数相关性，对于研究裂纹萌生期的材料损伤或微裂纹的产生，获得材料早期的损伤信息，为预防零件中宏观裂纹的产生及扩展具有十分重要的意义。本文工作是基于中航一集团沈阳发动机设计研究所的委托项目“发动机关键部件的损伤容限设计方法研究”而进行的部分研究工作，主要研究内容如下：1 a 3 钢、硬铝和g h 4 1 6 9 三种不同材料带孔拉伸试件，在疲劳载荷作用下孔边残余应变与疲劳循环次数相关性的实验研究：2 g h 4 1 6 9 材料单边带孔拉伸试件，在疲劳载荷作用下孑l 周残余应变分布及残余变形区形状与疲劳循环次数相关性的实验研究；3 a 3 钢和g h 4 1 6 9 两种不同材料带孔拉伸试件，在疲劳载荷和缓慢循环载荷交替作用下，孔边名义应力应变关系与疲劳循环次数相关性的实验研究；4 g h 4 1 6 9 材料单边带孔拉伸试件，在疲劳载荷和缓慢循环载荷交替作用下，孔周残余应变分布及孔边残余应变与疲劳循环次数相关性的实验研究。考虑到弹塑性变形的检测需要在材料试验机上进行，数字散斑相关检测技术是比较理想的离台实验检测技术。因为数字散斑相关检测技术具有设备简单、用白光照明、不需要专门防震以及适用范围大，既可测量大物体的大变形( c m ) ，又可测量微小区域内的小变形等优点。因此，在所有的实验研究中，均使用数字散第一章绪论斑相关检测技术作为弹塑性变形的检测技术。“”1 2 数字图像相关技术简介散斑相关技术，需要采集并记录物体变形前后表面的两幅散斑图像，然后利用数字图像处理技术求出全场的面内位移场，无需借助付氏变换法、利用光学技术提取面内位移场。相关技术的特点如下：1 散斑图实为广义散斑图，散斑图可以是激光散斑或彩色相干散斑，也可以是人为制成的散斑或物表面的显微结构，甚至是晶格结构，适应范围广。2 相关技术可以测量大物体的变形，也可以测量物表面微区内的细观变形( 1 “m 视场) ，适用范围大。3 相关技术检测范围宽，可以从细观范围的n m 量级大变形的r a i n 甚至c m 量级，因此测量灵敏度范围宽。图卜l1 基本原理散斑相关技术测量位移场的基本原理可简述如下：假设物表面上存在准平移区，在准平移区内的各点位移大小和方向均相同。只要窗口取得小，这个条件总能满足。见图卜l ，设某一准平移区m ，变形前位于点p ，光强模式函数为f ( x ，y ) ；第一章绪论变形后该区域移动到点p + ，光强模式函数用f ( x ，y ) 来表示。若忽略变形造成的光强细节分布变化，f ( x ，y ) 可近似为：f x ，y ) 兰s ( x + 甜，y + v ) - - g ( x ，y ) ( 1 - 1 )实际操作时，可以令窗口在点p ( x ，y ) 周围平移或转动，搜寻相关度最高的子区，并将相关度最高的子区m 看作是变形后移动到的位置。定出m 1 区域中心位置与点p ( x y ) 的坐标差，即可求出位移u 和v 。相关度的计算公式较多，搜寻方法也是千差万别，但其基本思想是一致的。下面是计算相关度的一种方法：f 厂( x ，y ) g ( x + “，y + v ) ( 如咖y ( ) 2 币丽m 菰丽贰i 萧”z ，i 矗黾2 改进的互相关算法为了获得两幅散斑图之间的相对位移分布，经典互相关法让窗口在第二幅散斑图上漫游，找出最大的相关度所对应的位移，即为真实位移。对于经典的互相关算法，一旦涉及到亚像素的计算，其计算量迅速增大，导致计算速度很慢，测量精度也难以得到保证。改进的互相关算法，充分考虑到速度场的连续性特点，将经典的图像分析技术中的“金字塔搜索法”成功引入到互相关搜索之中，该方法使计算量有了量级上的减小。改进的互相关法的基本思想是：( 1 )对变形前图中任一点a ，首先运用经典互相关算法，在变形后图中搜索出与a 点相关度最高的对应点a o 。( 2 )在的i 2 p i x e l 范围内的邻域中，以i 2 p i x e l 精度找出a 。，即完成了1 2 p i x e l 精度的搜索。( 3 )依次可完成i 2 2 至1 2 “像素级的搜索，a 。即为所求a 点对应的位置。此处是类似金字塔式的搜索，可有效减少计算量。第一章绪论( 4 )若b 为a 的邻域点，由位移连续性特点可以知道，b 一定是a 的邻域点。假设b 的位移与a 点相当，利用a 点的位移u 和v 可以估算出b 的位置。再用经典互相关算法在估算出的b 点周围，找出点的位置( 整像素点) 。( 5 )按金字塔式搜索法，依次完成t 22 至1 2 ”像素级的搜索，b 。即为所求b点对应的位置。( 6 )依据前面的步骤，对整幅散斑图进行处理，求出全区域内各点的位移。1 3 有限宽板孔边弹塑性变形测试研究1 3 1 研究背景针对中航一集团沈阳发动机设计研究所委托项目“发动机关键部件的损伤容限设计方法研究”中的相关内容，为了研究有限宽板孔边弹塑性变形的测试方法，本文作者参加了张天林师兄进行的有关的探索性研究工作。考虑到弹塑性变形的检测需要在材料试验机上进行，自动网格法和相关检测技术是比较理想的离台实验检测技术。因为自动网格法和相关检测技术具有设备简单、用白光照明、不需要专门防震以及适用范围大等优点。这两种技术既可测量大物体的大变形( c m ) ，又可测量微小区域内的小变形。实验研究中，采用有限宽中心带孔拉伸试样作试件，在试件表面预先制作规则节点或随机的白光散斑图。加载采用单调的逐级加、卸载循环方式，在进行逐级加、卸载循环实验过程中，利用自动网格法或相关检测技术测量孔周的全场位移分布。由于技术原因，网格法中一幅视图中的网格密度不宜超过3 0 3 0 。1 。这样，在测量大试件的全场变形时，无论测试精度，还是检测的空间分辨率都不高。当检测微区变形时，往往通过提高放大倍数来解决测试精度和空间分辨率不高的问题。但与相关检测技术相比较，网格法的空间分辨率总是比较差的。为了提高网格法的空间分辨率以及全场应变的检测精度，研究中应用最小二乘法将离散的位移分量拟合成二元多项式函数，最后通过对位移分量二元多项式函数的微分，来求出全场的应变分布。“0 1 3 14第一章绪论1 3 2 实验设备及仪器1 材料试验机所用材料试验机为数控材料试验机，各种实验数据均由电子系统自动采集。2 显微摄录系统摄像用c c d 的空间分辨率为7 6 8 5 7 6 像素。3 图像处理系统电脑配置：p 4 1 6 g ；2 5 6 md d r ；光力学图像处理软件是本组自编的处理软件：所用画图软件为o r i g i n 及m a t l a b 。1 - 3 3 试件及材料参数1 试件材料及力学参数试件的材料为a 3 钢，其屈服应力：a ；= 2 4 0 ( m p a ) ；强度极限：o b = 4 0 0 ( m p a ) 。2 试件尺寸试件及尺寸见及图卜2 。3 试件表面的散斑图制作共有两个试件，在试件l 的表面上，用丝网印刷技术制作了网格图，见图卜3 a 。在试件2 的表面上，用交替喷洒黑漆点和白漆点的方法，预先制成了随机分布的白光散斑图，见图卜3 b 。其余厂弋刿啦iv ：17，i 甲一，-否、6 2图i - 2 试件及尺寸蚺常编沧1 3 4 实验1 加媛试验采用荦瑚| 、逐级拥卸载的循珥加载方式。将照太载旃艮，。分成六级逐绂舢绒到最大城蒴缎。荐逐级卸竣到 ) 。试验敲火被荷p 。按下式谤算：p 。= o 。b 占( 1 3 )g ，= = = a 。，k ，t l 一4 1式中，魄，、足；= l 边娥犬应力，。是远场盛大应力；k ，= 3 0 0 0 是名义应力集中系数：域大载茼、二= 3 7 3 k n 。实验巾，各级载橱 ) 作用列孔边的名义应力a 按f 式计算：a = ) ( 艿b ) xk 。( 1 - 5 )式中，l ，是试验载简。，按照同降的加数方式对试件l 和2 进行了试验，备缀试验载荷的大小预先泼定，幽试验机自动控制，达到殴定载荷时自动停机进行潮像采集。试验 己泶数据如袭l 一1 所示。第一章绪论表i 一1 试验数据加载级次0123456载荷p 。( k n )oo 71 31 92 53 03 7 3孔边名义应力( m p a )07 3 91 3 72 0 02 6 33 2 64 0 0加载级次789l o1 11 2载荷p ( k n )3 12 62 0l - 4o 8o孔边名义应力( m p a )3 3 72 7 42 l l1 4 78 4o在单调、逐级加卸载循环过程中，用自动网格法或相关检测法测量孔周表面的弹塑性变形。2 实验步骤试验时操作步骤如下：1 安装试件、调整好设备及仪器，记录下原始网格图或白光散斑图；2 对试件进行逐级加、卸载实验，并记录下各级载荷作用时孔周的变形网格图或变形白光散斑图。1 3 5 实验数据处理及结果1 试件1 的实验数据处理及结果在试件l 的实验中，是用自动网格法检测孔边附件的弹塑性变形的。( 1 ) 实验数据的处理实验数据的处理步骤如下：l 利用本课题组自编的自动网格分析处理软件，对系列网格图进行自动分析和处理，得到各级载荷作用下各网格节点重心处的位移信息，画出全场位移矢量图。2 为了提高网格法的检测精度和空间分辨率，同时考虑到由于孔边网格节点的损坏或残缺造成的位移漏测点，因此应用最j 、- - 乘法将离散的位移分量拟合成如下的二元多项式函数：第一章绪论u ( z y ) = a l + a 2 x + a 3 y + a 4 x 2 + a 5 x y + a 6 y 2 + a 7 x 3 + a 8 x 2 y + a 9 r y 2 + a l o y 3v ( x ，y ) = b l + b 2 x + b 3 y + b 4 x 2 + b 5 x y + b 6 y 2 + b t x 3 + b 8 x 2 y + b 9 x y 2 + b l o y 3( 卜6 )3 将沿拉伸方向的位移函数v ( x ，y ) 对y 进行微分，就可以求出各级载荷作用下的沿拉伸方向的正应变解析表达式。( 2 ) 典型的实验结果图l 一4 孔边位移矢量图( 37 3 k n )( 单位：m m )图卜4 是最大载荷37 3 k n 时孔周的位移矢量分布图。由该离散位移分量拟合成的位移函数及拉伸方向的正应变解析表达式如下( 因为高次项系数太小，仅取了三次项) ：u ( x ，y ) = o 0 3 8 0 7 9 0 0 0 3 1 3 4 6 x + 0 0 2 3 9 0 7 y + 0 0 0 4 5 1 7 6 x 2 0 0 0 3 6 5 6 9 x y+ o 0 0 4 7 8 1 1y 2 + o 0 0 0 1 9 0 0 9 x 3 + o 0 0 0 2 2 1 0 2x 2 y 一0 0 0 0 1 9 7 2 x y 2+ o 0 0 0 1 7 3 6 2y 3v ( x ，y ) = 一0 1 9 6 7 9 0 0 2 9 9 6 1 x + 0 0 0 7 0 2 1 y + o 0 0 5 7 1 1 x 2 0 0 1 4 8 6 6 x y+ 0 0 0 4 8 3 81y 2 + 0 0 0 0 5 5 2 21x 3 - 0 0 0 0 3 4 9 2 4x 2 y 0 0 0 0 6 5 8 21x y 2+ 0 0 0 0 3 4 6 3y 3，( z ，y ) = o 0 0 7 0 2 1 0 0 1 4 8 6 6 x + 0 0 0 9 6 7 6 2 y 一0 0 0 0 3 4 9 2 4 x2 o 0 0 1 3 1 6 4 x y+ o 0 0 1 0 3 8 9y 28第一章绪论2 试件2 的实验数据处理及结果在试件2 的实验中，是用数字散斑相关技术检测孔边附件的弹塑性变形的。( 1 ) 实验数据的处理实验数据的处理步骤如下：l 利用本课题组自编的相关检测软件，对系列白光散斑图进行自动分析和处理，得到各级载荷作用下全场的位移信息u ( x ，y ) 和k ( x ，y ) ；2 根据位移分量虬( x y ) 的分布，找出孔边所在纵向剖面( y 方向，也即拉伸方向) 内各像素点上的纵向位移分量v l ( x 。y ) ，( x 。是孔边处的横向坐标，坐标系的原点设在孑l 中心) ；3 利用最小二乘法对该剖面内的离散位移分量虬( x 。，y ) 进行曲线拟合，得到该剖面内位移分量k x 。，y ) 的解析表达式：4 将位移分量以，y ) 的解析表达式对y 求导，求出该剖面内正应变，的解析表达式，并求出孔中心所在剖面、孔边的应变值值；5 按下式求出孔边名义应力：a = p ( 占b ) k ，6 画出孔边名义应力应变关系曲线。( 2 ) 典型的实验结果实验处理获得的名义应力、应变数据如表l 一2 所示，孔边的名义应力应变关系曲线如图卜5 所示。表l 一2 试件2 的孔边名义应力、应变数据加载级次0123456l 孔边名义应力( m p a )o7 3 91 3 72 0 02 6 33 2 64 0 0孔边应变( k u )00 4 30 7 41 6 67 2 42 0 ，4 l9 4 3 5加载级次78g1 01 11 2孔边名义应力( m p a )3 3 72 7 42 l l1 4 78 4o 孔边应变( k p )9 1 8 39 8 9 58 7 。7 68 6 3 38 5 。5 28 4 7 3第一章绪论4 0 0盎3 0 0墨r2 0 0蜀31 0 00周应变( ku )图卜5 孔边的名义应力应变关系曲线1 3 6 结论和讨论实验研究表明，对于有限宽板带孔试件，在单调、逐级加卸载循环试验过程中的孔边弹塑性变形可以应用自动网格法进行检测。但由于网格检测法的空间分辨率比较低，一幅视图中的网格节点密度不宜超过3 0 3 0 ，这对测量孔边应力集中区域内的变形来讲，显得空间分辨率不够。此外，网格节点的损坏或残缺是很难避免的，尤其在边界上。因此，文中提出应用最小二乘法将离散的位移分量拟合成光滑的二元多项式函数，不仅解决了自动网格法空间分辨率差的不足，提高了检测精度，同时也在一定程度上弥补了网格节点损坏或残缺造成的困难。对于有限宽板带孔试件，在单调、逐级加卸载循环试验过程中的孔边弹塑性变形，同样可以应用数字散斑相关检测技术进行测量。与自动网格法相比较，散斑相关检测技术的空间分辨率要高，制作散斑标记图比较容易。第二章孔边残余变形与疲劳循环次数相关性的实验研究第二章孔边残余变形与疲劳循环次数相关性的实验研究2 1 研究背景针对中航一集团沈阳发动机设计研究所委托项目“发动机关键部件的损伤容限设计方法研究”中的相关内容，为了研究飞机发动机零构件材料从疲劳损伤积累至微裂纹萌生、从微裂纹群的产生至宏观裂纹的形成及扩展，直至零构件最终断裂全过程的行为，建立材料损伤与寿命的联系，以提高寿命预测准确率，本章主要研究a 3 钢、硬铝和g h 4 1 6 9 等三种不同材料的孔边残余应变与疲劳循环次数的相关性以及a 3 钢和6 h 4 1 6 9 两种不同材料的孔周塑性变形区域的形状及大小与疲劳循环次数的相关性规律n ”m 。考虑到弹塑性变形的检测需要在材料试验机上进行，而数字散斑相关检测技术具有设备简单，用白光照明，不需要专门防震以及适用范围大等优点，所以在实验研究中，均使用数字散斑相关检测技术检测孔边周围的残余变形。2 2a 3 钢材料的实验研究2 2 1 实验设备及仪器i 材料试验机所用材料试验机为美国进口的m t s 8 0 9 材料试验机，载荷读数精度为o 5 ，各种实验数据均由电子系统自动采集。2 显微摄录系统摄像用c c d 的空间分辨率为7 6 8 5 7 6 像素。3 图像处理系统电脑配置：p 4 i 6 6 ；2 5 6 md d r ；光力学图像处理软件是本组自编的处理软件；所用画图软件为o r i g i n 及m a t l a b 。第二章孔边残余变形与疲劳循环次数相关性的实验研究2 2 2 试件及材料参数1 试件材料及力学参数试件的材料为a 3 钢，其屈服应力：o 。= 2 4 0 ( m p a ) ；强度极限：6 。= 4 0 0 ( m p a ) 。2 试件尺寸试件及尺寸见及图2 1 。其余拶iv ：l 7一；一lr否、6 4i2】5 0图2 一l 试件及尺寸图2 - - 2 孔周表面上的白光散斑图3 试件表面的散斑图制作通过利用交替喷洒黑漆点和白漆点的方法，预先在试件孔周的表面上制成随机分布的白光散斑图，见图2 2 。第二章孔边残余变形与疲劳循环次数相关性的实验研究2 2 3 实验1 加载疲劳实验采用o p 一0 的循环加载方式，加载波形为正弦波，实验疲劳加载频率为l o j z 。最大载荷p 的确定原则，是使孔边的最大应力接近应力极限。试件l 的疲劳载荷谱为：0 3 ，7 8 k n o ：试件2 的疲劳载荷谱为：0 3 6 4 k n o 。2 实验步骤试验时操作步骤如下：1 安装试件、调整好设备及仪器，使得摄图清晰，并记录下原始散斑图；2 对试件进行疲劳加载，疲劳循环5 0 0 周次后在零载荷状态下停机，再记录第- 十i s l 周的白光散斑图；3 继续进行疲劳实验，疲劳循环5 0 0 周次后，在零载荷状态下再次停机、摄图：4 重复以上步骤，直至断裂破坏。3 试验结果试件1 在进行了1 0 0 0 0 多次疲劳循环后断裂破坏。试件2 在进行了3 6 0 0 0 多次疲劳循环后断裂破坏。2 2 4 孔边残余应变与疲劳循环次数的相关性1 实验数据处理实验中获得了大量的实验数据，为了求出由于疲劳损伤在孔周产生的残余变形，应用数字散斑相关技术对孔周自光散斑图进行如下的处理：1 首先应用数字散斑相关检测技术，处理实验中记录下来的系列白光散斑图，求出疲劳循环5 0 0 n 。( i = o ，1 ，2 ，3 ) 周次后孔周的残余位移场；2 利用所求位移分量”( x ，y ) 的分布，求出x = 一3 5 m m 处所在纵向剖面( y 方向，即拉伸方向) 内各像素点上的纵向位移分量”( x 。，y ) ；并利用最小二乘法列离散的位移数据进行曲线拟合，得到该剖面内位移分量的解析表达式v ( x o ，y ) ：3 将位移分量的解析表达式v ( x 。，y ) 对y 求导，得到孔边( 一3 5 ，o ) 处残余应变值，：第二章孔边残余变形与疲劳循环次数相关性的实验研究4 绘出孔边( 一3 5 ，o ) 处残余应变，与疲劳循环次数的相关曲线。2 典型结果因为实验结果太多，文中仅给出部分典型的实验结果。( 1 ) 试件l 的典型结果图2 3 所示是试件l 疲劳循环3 5 0 0 次5 0 0 0 次之i n ： l 周的残余位移增量矢量分布图。图2 4 和图2 5 所示分别是试件1 疲劳循环3 5 0 0 次5 0 0 0 次之i m 4 l 周的位移分量u ( x ，y ) 和v ( x ，y ) 增量的等值线分布图。图2 - 6 所示是该残余位移增量在孔边纵向剖面内位移分量k 的分布及其拟合曲线。根据图2 - 6 结果的拟台函数可以求出孔边沿拉伸方向的应变分量，。图2 7 是根试件1 实验结果获得的孔边纵向残余应变分量岛与疲劳循环次数的关系曲线。在载荷谱：o 一3 7 8 k n o 的疲劳循环作用下，试件l 经过1 0 0 0 0 多次疲劳循环就疲劳断裂了。v图2 - 3 孔周位移增量矢量图( 3 5 0 0 - - 5 0 0 0 次) ( 单位：m i l l )辫。章扎边残采受群o 癯菏黼j ：；_ | = 鼗，嗣关弛的毒；骢埘究翻2 - - 4 孔周位移分鼙u ( x ，y ) 增餐的葛馈线分布蚓蚓2 5 孔周僦穆分懿v ( x ，y ) 增懿的等敷线分布围( 3 5 0 ( 一一5 0 0 0 敬) ( 单位；)第二章孔边残余变形与疲劳循环次数相关性的实验研究图2 - 6 孔边纵向剖面( x 一3 5 r a m ) 位移分量增量k 分布( 3 5 0 0 5 0 0 0 次) ( 单位：m m )图2 7 试件1 孔边纵向残余应变分量，与疲劳次数的关系6y斟通谣徵一兰二：翌垒望堡垒竺翌! ! 壅! ! 塑! ：堡登堂! 矍熊翌生丝望薹“) 试件2 雠勺姒憩锚采黼2 - 8 所示是斌件2 疲劳霸环5 0 0 0 次j 0 0 0 0 次之例孔刷的残余位移增量矢赞分稚圈：矧2 - 9 霹慨i 争j o 所示分剐是试件：城劳销环5 0 0 0 次”。i 0 0 0 0 次z州孔周的位移分驻u v ) 和v ( x ，y ) 增摄的簿值线分和阁。蹦2 【i 册豕魁该残余位移增显在孔边纵向刹耐内位移分量k 的分甜及葜拟台赫线。根掘鲻2 1 l 结粜的拟台幽数可以求出孔边沿拉僻1 方向翰应变分曩曩。图2i 2 是根试件2 实验结聚获得的孔边纵向残余应变分篷昏与疲劳循辱次数的关系曲线。在绒簿潞：( ) 一6 4 k n o 的疲劳蘅环作用f ，试件2 经过3 6 0 0 0 多玖疲劳循环，j 疲劳断裂。；j ：0 ：。：二：= = = ：=1t j 荔一删峨j41。 i ； 转| i 1划扩8 孔嗣能够增鲢尖燃蚓( 5 0 0 0 一1 0 0 0 0 次) ( 单缸：)削2 - 9 孔埘位移分蜮u 沁y ) 增熊的等值线分布黼( 5 0 0 0 - 一1 0 0 0 0 次) ( 荦位：m )涂职孔进醴余业形i i 曛努错王 次数t | _ 哭e ：的盛辘研究嘲2 。l o 孔捌侮移分撼v ( x - y ) 增蟹的等艇线分布崩( 5 0 0 0 l0 0 0 0 次) ( 单位：m m )o 002，。u，。j；ij 770c j 一一q -一一。m。，0 uju v i 一一一一o 一j -u 2u 1 5一u o5o0 5 * m # b h 噍 e #浏2 - 孔边纵向啬i j 嘲( x 一35 r a m ) 位穆分髓增攮“分布( 5 0 0 0 一一i 0 0 0 0 次) ( 单位：m m )蹦2 - 12 试- p i ：2 孔迅纵向残余戍蹙分餐e ，5 _ 疲，玖数的篾系1 8第二章孔边残余变形与疲劳循环次数相关性的实验研究2 2 5 结论和讨论数字散斑相关检测技术对所用散斑标记没有特别要求，除去可以利用激光散斑场作标记外，还可以利用人为制成的白光散斑或物表面的显微结构，甚至用表面的晶格结构作标记，这就大大拓宽了数字散斑相关技术的使用范围。当利用白光散斑或物表面的显微结构作标记进行测量时，对实验过程的防震要求也有所降低，这就便于在材料试验机上进行试验。此外，数字散斑相关技术可以测量大物体的大变形，也可以测量微区内的细观变形，其适用范围大、测量范围宽。研究工作表明，数字散斑相关技术可以用于材料的疲劳损伤规律研究。通过在试件表面上随机喷洒黑漆点和白漆点制成白光散斑图，细节分布丰富，具有很好的对比度，是一种比较理想的白光散斑制斑方法。尽管两个试件的载荷不同，造成了两个试件的疲劳寿命有很大的差异，一个试样疲劳循环1 0 0 0 0 多次后就疲劳断裂了，而另一个试样疲劳循环了3 6 0 0 0 多次才破坏。但是从图2 7 和图2 一1 2 所示两个实验获得的孔边纵向残余应变分量，与疲劳次数的关系曲线可以发现，由疲劳产生的孔边纵向残余应变分量，与疲劳次数有明显的规律。孔边纵向残余应交分量岛与疲劳次数关系曲线大致可以分为3 个阶段：l 疲劳实验刚开始时，曲线的斜率较大，表明孔边纵向残余应变增量较大，这是由于孔边材料突然承受了超过屈服应力的7 l 边应力的作用引起的。2 在第二阶段，曲线的斜率变小，维持相当一段线性段，表明孔边纵向残余应变随疲劳循环次数大致成线性关系。3 第三阶段，曲线的斜率急剧变大，表明孔边纵向残余应变随疲劳循环次数的增加而迅速增加，这表明材料的疲劳损伤越来越严重，同时表明零构件的剩余寿命不多了。第二章孔边残余变形与疲劳循环次数相关性的实验研究2 3 硬铝材料的实验研究2 3 1 实验设备及仪器实验所用实验设备及仪器均与2 2a 3 钢材料的实验研究中所用实验设备及仪器相同。2 3 2 试件及材料参数1 试件材料及力学参数试件的材料为硬铝。屈服应力：g 。- 3 7 5 ( m p a ) ；强度极限：6 。- 4 4 0 ( m p a ) 。2 试件尺寸试件及尺寸见及图2 一1 3 。圈2 1 3 试件及尺寸图2 1 4 孔周表面上的白光散斑图第二章孔边残余变形与疲劳循环次数相关性的实验研究3 试件表面的散斑图制作通过利用交替喷洒黑漆点和白漆点的方法，预先在试件孔周的表面上制成随机分布的白光散斑图，见图2 一1 4 。2 3 3 实验1 加载疲劳实验采用o p o 的循环加载方式，加载波形为正弦波，实验疲劳加载频率为1 0 h z 。试件1 和试件2 的疲劳载荷谱均为：o 一4 o o k n o 。2 实验步骤试验时操作步骤如下：1 安装试件、调整好设备及仪器，使得摄图清晰，并记录下原始散斑图；2 对试件进行疲劳加载，疲劳循环2 0 0 周次后在零载荷状态下停机，再记录第二幅孔周的白光散斑图；3 继续进行疲劳实验，疲劳循环2 0 0 周次后，在零载荷状态下再次停机、摄图；4 重复以上步骤，直至断裂破坏。试件l 在进行了6 0 0 0 多次疲劳循环后断裂破坏，试件2 在进行了7 0 0 0 多次疲劳循环后断裂破坏。2 3 4 实验数据处理及结果1 实验数据处理实验中获得了大量的实验数据，为了求出由于疲劳损伤在孔周产生的残余变形，应用数字散斑相关技术对孔周白光散斑图进行如下的处理：1 首先应用数字散斑相关检测技术，处理实验中记录下来的系列白光散斑图，求出疲劳循环2 0 0 n 。( i = o ，1 ，2 ，3 ) 周次后孔周的残余位移场；2 利用所求位移分量”( x ，y ) 的分布，求出孔边所在纵向剖面( y 方向，即拉伸方向) 内各像素点上的纵向位移分量k ( x 。，y ) ；并利用最小二乘法对离散的位移数据进行曲线拟合，得到该剖面内位移分量的解析表达式v ( x 。，y ) ；3 将位移分量的解析表达式v ( x 。，y ) 对y 求导，得到孔边残余应变值e ，；4 绘出孔边处残余应变岛与疲劳循环次数的相关曲线。第二二章孔边残余变形与疲劳循环次数相关性的实验研究2 典型结果因为实验结果太多，文中仅给出部分典型的实验结果。( 1 ) 试件1 的典型结果图2 1 5 所示是试件1 疲劳循环4 0 0 次后孔周的残余位移增量矢量分布图；图2 一1 6 是利用图2 1 5 所示结果获得的孔周残余位移分量等值线分布图。图2 一1 7 所示是孔边纵向剖面内残余位移分量k 的分布及其拟合曲线。根据图2 1 7 结果的拟合函数可以求出疲劳循环4 0 0 次后孔边沿拉伸方向的应变分量vo图2 1 8 所示是试件l 疲劳循环3 6 0 0 次后孔周的残余位移增量矢量分布图。图2 1 9 是利用图2 - 1 8 所示结果获得的孔周残余位移分量等值线分布图。图2 - 2 0 所示是疲劳循环3 6 0 0 次后孔边纵向剖面内残余位移分量k 的分布及其拟合曲线。图2 2 1 是疲劳破坏后的试件照片，照片中的横行黑线是孔中心所在剖面。由于照片可见，疲劳断裂裂纹不在孔中心所在剖面，而在下面。图2 2 2 是根试件l 实验结果获得的孔边纵向残余应变分量，与疲劳循环次数的关系曲线。图2 1 5 孔周残余位移矢量图( 4 0 0 次) ( 单位：m i l l )罅帝孔诎姓余盘肜l i 疵蔼：循环凌教，是忡的盛豫1 i 3 1 亢能穆分照l i( b ) 位移分怒v搿2 1 6 孔罔残余位移分埘：等缱线分布翻( 4 0 0 次) ( 单位：【：i i i i j吲2 一i7 孔边纵向划甄位移分黼k 的分布黪线( 4 0 0 次) ( 单位：i n n l j弼。帮乱泣j 采蹙；引_ 疲劳鼢鲻：次数搠1 是他的蜜_ 。_ 研宄w2010o3 0，ih i ：澎：；彤，擞： 【； ；jj “ ；：o1o20捌2 一1 8 孔周默余位移父醚矧i 3 6 0 0 攻) ( 荦位：m ；)l 神位移分帮l i( b ，位移分餐v争1 9 孔心残余侮移分圭遗等馈线分布蚓( 3 6 0 0 次j ( 单位：m l l l j第，节_ 凡边蛙采变形i j 城寄榷f 4 ：次数榭燕愕【 f 】盛验! 掰究00 3 50 1 3 3 0o0 2 5o0 2 00o 500 1 00 5o0 0 。嘲2 一! o 孔边纵向剖晰位移分赫“的分稚拍线【3 6 0 0 次) 单位：m m )矧2 - 2 l 斌件l 疲劳破朗、后n 试仆照片01 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 。o6 0 0 07 0 。伪= i ；1 、反装圈2 - 2 2 孔边纵囱残余成变分蜒e ，! o 疲劳循环欢数的芙系她线，一十一一_ 、一一_一。一一苎一面砺一百，：。，卜| 一育、育亩衅 l li第二章孔边残余变形与疲劳循环次数相关性的实验研究( 1 ) 试件2 的典型结果图2 2 3 所示是试件2 疲劳循环8 0 0 次后孔周的残余位移增量矢量分布图；图2 2 4 是利用图2 2 3 所示结果获得的孔周残余位移分量等值线分布图。图2 2 5 所示是孔边纵向剖面内残余位移分量k 的分布及其拟台曲线。根据图2 2 5 结果的拟合函数可以求出疲劳循环8 0 0 次后孔边沿拉伸方向的应变分量v 。图2 2 6 所示是试件2 疲劳循环4 0 0 0 次后孔周的残余位移增量矢量分布图：图2 2 7 是利用图2 2 6 所示结果获得的孔周残余位移分量等值线分布图。图2 2 8 所示是疲劳循环4 0 0 0 次后7 l 边纵向剖面内残余位移分量k 的分布及其拟合曲线。图2 - 2 9 是试件2 疲劳破坏后的试件照片，照片中的横行黑线是孔中心所在剖面。由于照片可见，疲劳断裂裂纹不在孔中心所在剖面，而在中心剖面的下面。图2 3 0 是根试件2 实验结果获得的孔边纵向残余应变分量e ，与疲劳循环次数的关系曲线。图2 2 3 孔周残余位移矢量图( 8 0 0 次) ( 单位：f i l m )( a 川移分精i i( b ) 纯移分崩v阿2 - 9 4 强捌簸金似移分精等僦线毋箭嘲( 8 0 0 敬) ( 孽能：t l l m j0 00 “0# 瓣j- ) “二00 izo0 ：040 50 8z 蠕所磊嚣缓尚里蝻蚓2 - - 2 5f l 遗缓向魏磕i 位移分划k 的分市曲线( 明( ) 改j ( 照俺：a )一40 ：l 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