（机械制造及其自动化专业论文）密封容器抗渗漏机理与方法的研究.pdf

摘要 论文首次尝试用丝麴壁壤堂的方法来解决态型堡! 塑2 堡绪塑查昼抗渗漏问题， 为此系统地研究了与之相关的一系列问题。 首先通过试验，研究了螺栓预紧力矩对l y l 2 c z 铝台金双盖板对接螺接件微动磨 损的影响。佣宏观照片、电镜扫描、x 一射线照射等多种方法观察分析了试验结果， 较完整地提出了铝合金的微动损伤机制。在全面分析影响微动磨损与微动氧化的各 主要因素的基础上，。提出了适用于多种金属材料的两类微动图。( 即三维微动磨损机 制图和三维微动氧化作用机制图。结合容器抗渗漏的需要0 研究了螺纹联接件的涂 胶防护效果，对涂胶与非涂胶螺接件进行了多参数的对比测试，得出了初步的结论。 并定性地讨论了胶螺接接头的耐久性问题。 在数值分析与计算模型建立方面，将三维边界元的方法应用于求解摩擦接触问 题，对螺纹联接件接触板面间的应力场、位移场进行了数值计算和分析。f 用微动损 伤参数( f d ) 和微动综合参数( f f o ) 这两类参数作为微动损伤( 渗漏) 的判据，对螺接 件的计算结果与试验结果相符。为了确定容器的抗渗漏强度与寿命，本文还提出了 表面损伤形式下的微动疲劳强度与寿命的计算方法，并用此方法估算了螺接件的微 动疲劳寿命，所得到的估算寿命与试验寿命相符。考虑到影响容器密封性能因素多 的特点。将模糊数学的方法应用于容器抗渗漏寿命的评估上，建立了评估的数学模 型与流程，用层次分析( a h p ) 法分析计算了各级因素的权重值，得出了评估寿命。 本文所提出的计算模型和分析结论不仅适用于本文所研究的问题，而且也适用 于飞机及其它设备中螺( 铆) 联接的微动损伤问题，因而本文的工作具有明显的理论 意义与实用价值。广丫 关键诃：微动损伤、螺接联接、预紧力矩、涂胶保护、边界元法、 抗渗漏寿命、模糊评判 童塾塾垫堡塑丝堡量童堡墼堑塞 a b s t r a c t a sa l la t t e m p tt os o l v el e a k a g ep r o b l e mo f l a r g eb o l t e d j o i n to rr i v e t j o i mv e s s e lb y f r e t t i n gt r i l o g y , i n t h i sd i s s e r t a t i o n , s e v e r a lm a i n a s p e c t s a l es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y f i r s t ，t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e st h ei n f l u e n c eo ft h eb o l t e dt i g h t e n i n gt o r q u eo nt h e f r e t t i n gw e a l o f l y l 2 c z a l u m i n u m a u e y d o u b l e s h e a rl a pb o l t e d j o i n tb ye x p e r i m e n t t h e e x p e r i m e n tr e s u l t s a l eo b s e r v e da n dd i s c u s s e dw i t hs e mp i c t u r e sa n dx - r a ya n a l y s i s r e p o t s ，f r e t t i n gd a m a g em e c h a n i s mo fa l u m i n u ma u e yi sp r o p o s e d o nt h eb a s i so f a n a l y s i s f o rk e yf a c t o r st h a t e f f e c t f r e t t i n gw e a ra n do x i d a t i o n ，t w o k i n d so ff r e t t i n g m e c h a n i s mm a p s ，3 d - f r e t t i n gw e a l m e c h a n i s mm a pa n d 3 d - f r e t t i n go x i d a t i o nm e c h a n i s m m a p , a r ed e s i g n e d t om e e t t h en e e d so fv e s s e la n t i - l e a k a g e ，t h ep r o t e c te f f e c t so f c o a t i n g g l u eo nb o l t e dj o i n t sl e t t i n gs u r f a c ea r er e s e a r c h e d a n df o rb o l t e dj o i n tw i t hg l u ea n d w i t h o u tg l u e ac o n t r a s te x p e r i m e n ti sp r o c e e d e dt oo b t a i ns o m e p a r a m e t e r ss u c h 勰s u r f a c e s t r e s s ，v i b r a t i n g ，s o m ec o n c l u s i o n sa l eo b t a i n e d t h ed u r a b l e n e s sp r o b l e mo fg l u ej o i n ti s d i s c u s s e d i nn u m e r i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t em o d e l ，t h et e c h n i q u et os o l v ef r i c t i o nc o n t a c tp r o b l e mb y3 d - b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o di se x p o u n d e d , t h er e l a t i v ed i s p l a c e m e n t a n ds t r e s sf i e l do ft h ei n t e r f a c eo ft h ej o i n tp l a t e s 眦c a l c u l a t e d , f r e t t i n gd a m a g e p a r a m e t e r ( f d ) a n df r e t t i n gc o m p r e h e n s i v ep a r a m e t e r ( f f d ) a r eu s e da sd a m a g ec r i t e r i o i lo fl e a k a g e c a l c u l a t i o nr e s u l t sf o rb o l t e dj o i n ta f ea g r e e a b l et oe x p e r i m e n tr e s u l t s 、 i no r d e rt od e t e r m i n et h ea n t i - l e a k a g e s t r e n g t ha n dl i f e o fv e s s e l ，t h ep a p e ra l s op r - e s e n t sak i n do fc a l c u l a t em e t h o df o rf r e t t i n g f a t i g u es t r e n g t ha n dl i f e u n d e rs m f f a c e d a m a g em o d e l ，a n du s i n gt h i sm e t h o d , f r e t t i n gf a t i g u el i f e o fb o l t e dj o i n ti se s t i m a - t e d , t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nc a l c u l a t er e s u l ta n de x p e r i m e n tr e s u l ti ss m a l l mv i e w o fc o m p l e x , u n c e r t a i na n dc h a n g e a b l ec h a r a c t e r sw h i c hm a n yf a c t o r sa f f e c t i n gl a m i n a a i r t i g h tv e s s e l l i f e h a v e ，t h em e t h o do ff u z z ym a t h e m a t i c si si n t r o d u c e dt oe s t i m a t e t h ev e s s e ll i f e ，t h em a t h e m a t i c sp a t t e r na n dp r o c e s so ft h ed e c i s i o na r ee s t a b l i s h e d ， a h pm e t h o di s a p p l i e dt og e tt h ee v a l u a t i o ni n d e x e s w e i g h t s a n dt h ee s t i m a t e l i f e i so b t a i n e d t h em e t h o d sg i v e ni nt h i sp a p e ra r e a p p l i c a b l en o to n 王yf o rv e s s e l b u ta l s of o r f r e t t i n g d a m a g ep r o b l e ma p p e a r i n gi na i r p l a n ea n do t h e rd e v i c e s ，t h e r e f o r e , t h e yo b v i o u s l yh a v e t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d t h ev a l u ef o r p r e t i c a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：f r e t t i n gd a m a g e ；b o l t e dj o i n t ；t i g h t e n i n gt o r q u e ；c o a t i n gg l u ep r o t e c t ； b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ；a n t i - l e a kl i f e ；f u z z yd e c i s i o n 童塞墼窒堕垂奎兰堡圭堂堡篁塞。一 第一章绪论 1 1 课题来源与目的 本课题任务来源于江苏省应用科学基金的一项课题：“容器抗渗漏机理和方法研 究一( 项目编号：b j 9 7 0 5 2 ) 。本课题的研究目的在于建立大型螺( 铆) 接结构容器抗渗 漏的理论分析和计算模型，提出计算方法和公式，并用试验验证。 1 2 本论文研究的工程背景与意义 在国民经济的多个领域，如航空、航天、化工、石油、核工业等领域，普遍 使用大型薄壁容器，以贮存或携带必要的液( 气) 体原料或燃料，如飞机上的整体 油箱就是这样。这种大型薄壁容器大多是由薄板材，用螺( 铆) 接而成，板件之间 涂有密封胶。工作时容器外部受有多向振动载荷，又有潮湿、腐蚀气体介质包围， 容器内部又有一定的内压力，在这些复杂因素的作用下，比较短的寿命后，就会造 成液( 气) 体的渗漏，酿成事故和损失。根据密封容器的实际使用情况，产生渗漏 的原因主要是在复杂工况，特别是在振动外载的作用下，容器的接触板面之间产生 了微动和微动磨损，从而产生磨损间隙，影响配合，造成渗漏。如果微动磨损达到 一定的严重程度，还会产生微动疲劳裂纹，造成容器的整体断裂。以往的观点认为 容器的抗渗漏能力主要依赖密封胶的性能，但如果主要以密封胶来防漏，一来密封 胶会老化；二来密封胶也会因微动而损坏，密封效果很差。日前的一些研究也证实 了这一点，因而密封容器的密封性能主要与微动损伤有关，它的寿命也主要取决于 容器的微动疲劳寿命，而密封胶可以提高密封效果，起到辅助延寿的作用。 根据文献检索 1 1 f2 】c 3 c “，国内外在这方面的研究现状是：认为容器的防渗漏主要 是密封胶以及工艺性问题，还没有人提出抗渗漏的完整的计算模型，许多人只停留 在改善密封胶的性能上。已有的研究，如航空工业部a f f d 系统工程部的“微动损伤 分析研究报告”、湖南株州五七一二工厂的。飞机整体油箱漏油机理的研究”、江西 南昌飞机制造公司六五零研究所的“强五飞机进气道掉铆钉头的研究”以及 w a t e r h o u s e 的“f r e t t i n gf a t i g u e ”等也只是说明容器在内压、潮湿或腐蚀气体介 质、振动外载、以及温差变化等交互作用下，板面之间会出现微动损伤( 微动磨损 和微动疲劳裂纹) ，而对于它的机理和防护方法并未给予更多的研究。因而本课题着 重用微动摩擦学的方法来研究如何减小各接触表面之间的微动损伤，即主要研究如 何减小微动磨损和微动疲劳裂纹的损害，并根据这种思想来建立抗渗漏的分析计算 模型，然后再辅以密封胶。 童塑童矍苎鋈塑垫塞芝壅鎏墼堡壅 一一 1 3 论文的主要研究内容与贡献 论文的研究主要是从以下三个方面进行的： 一、从定性和定量的方面研究各单因素对微动损伤( 亦即渗漏) 的影响，如板闯压 紧力对渗漏钓影喻、振动载荷对渗漏的影响、滑移振幅对渗漏的影响、板材性 能以及密封胶等对渗漏的影响。 二、提出综合考虑各种因素后，容器抗渗漏分析计算模型和方法。 三、用实验验证证实分析计算模型的正确性，并提出修正方法。 1 3 1 论文的主要研究内容 第二章：提出了微动损伤的概念及其研究的必要性。对微动损伤研究的两个主要部 分，即微动损伤基础研究和防护方法这两个部分的发展过程进行了论述，尤其对当 前的研究现状及所取得的成果做了重点阐述，并说明了一些尚待解决的问题。从微 动机理研究、微动件结构参数控制、微动疲劳寿命估算、工业应用、防护等几个方 面概述了微动损伤研究的发展趋势。 第三章：本章主要用不同的螺栓预紧力矩对乙y 1 2 c z 高强度铝合金板螺纹联接件的微 动损伤进行了试验研究。通过微动损伤区的宏观照片、s e m 照片，对比分析了三种 预紧力矩下微动表面的损伤形貌，并用卜射线分析了损伤区内金属化学成分的变化 状况。观测与分析结果表明，在不同的螺栓预紧力矩作用下，螺接件的微动损伤程 度有所不同，且损伤区内金属化学成分的含量随损伤程度的不同而变化。在某一特 定力矩作用下，螺接件的微动损伤程度较轻，有利于提高容器的抗渗漏能力。本章 还对螺接件的涂胶防护效果进彳亍了试验研究。试验用c 6 超声波缺陷检测仪对胶螺结 构的完整性进行了监测，并对涂胶和未涂胶两种螺接件的板面应力、滑移振幅以及 由摩擦而产生的板面温升等参数进行了对比测试，得出了结论。定性地讨论了诸多 因素，如潮湿、温度、应力腐蚀等对胶接接头耐久性的影响情况。 第四章：在铝合金板微动损伤机理研究方面：根据铝合金板件微动损伤形貌图，详 细分析了它在微动过程中粘着、脱层、磨屑、氧化这四个子过程发生的先后顺序以 及各自所起的作用，提出了它的微动磨损机理 根据对微动裂纹产生的原因、位置 以及裂纹扩展的方向等问题的分析，提出了它的微动疲劳机理。在微动机制图研究 方面：分析了影响微动磨损的主要因素所起的作用，以这些主要因素为参量，研制 了三维的微动磨损机制图；分析了影响微动氧化作用的几种最主要的因素，以这些 主要因素为参量，以b i l l 提出的五种氧化作用为基础。研制了三维的微动氧化作用 机制图，可对不同的材质在不同徽动条件下的徽动磨损和微动氧化机制进行分析。 第五章：基于对螺铆板件以及容器进行数值分析的需要，将三维边界元方法用于求 解磨擦型接触问题。建立了边界增量积分方程，在考虑摩擦的情况下，于接触区建 立了局部坐标，引入边界接触条件。使用等参单元离散边界，使单元形状与物体边 界更好贴合，并针对接触闯题的非线性特性。讨论了它的增量迭代求解过程。在此 南京航空航天大学博士学位论文 基础上编制了相应的计算机程序。对螺纹联接件联接板面间的应力场、位移场进行 了分析计算，用微动摩擦功作为接触面上微动磨损的严重程度的判据。所得的计算 结果表明，螺栓预紧力矩的大小对螺接件微动损伤有较大的影响，在某一力矩下， 其微动损伤的程度较轻，从理论上证实了试验的结果。 第六章：着重分析了零构件由于表面损伤而造成的疲劳失效机制，引入损伤参量对 l i u 与c o r t o n 提出的微动疲劳强度公式进行了修正。在微动疲劳寿命的研究方面， 论述了这种微动疲劳模式下疲劳寿命的组成情况，提出可用s m i t h 门槛值应力公式 来估算当微动磨蚀坑底部萌生扩展性裂纹时，磨蚀坑的临界深度尺寸；并分析了微 动裂纹尖端的应力强度因子，得出了计算微动裂纹萌生尺寸的表达式。最后用上述 方法计算了螺纹联接件的微动磨损寿命与裂纹萌生尺寸，用局部应力应变法计算了 微动裂纹的萌生寿命，所得到的螺纹联接件的估算寿命与试验寿命相符，由此可见， 文中所提出的微动疲劳寿命的估算方法是合理的、有效的。 第七章：针对影响密封容器寿命的因素多，且具有复杂性、非确定性的特点，提出 了用动态二级模糊综合评判的方法对其寿命进行评估，建立了评估的数学模型和评 估流程。在对飞机整体油箱的寿命分析中，考虑到保留所有评判因素的影响，采用 了乘、加型模糊算予，并用a h p 法计算了各评价指标的权重值。计算结果表明了该 方法的可行性和有效性。 1 3 2 论文的主要贡献 本文在密封容器抗渗漏的机理、方法，以及抗渗漏计算模型的建立等方面进行 了较为全面的研究，其主要贡献在于： 1 系统论述了近年来有关微动损伤基础研究及其防护方法的研究状况，对它的进一 步发展趋势提出了自己的观点。 2 通过预紧力矩的改变来控制螺接板面间的应力、振幅这二个影响微动损伤的最主 要参数，以达到减小损伤，提高容器抗渗漏性能的目的。从试验研究和数值计算两 方面，得出了试验条件下螺栓的最优预紧力矩值，在此预紧力矩下，螺接件的微动 损伤较轻。 3 首次提出了三维的微动磨损机制图和三维的微动氧化作用机制图这两类微动图。 通过此图，不仅可以较好地从总体上了解材料微动磨损和微动氧化的实质，而且可 以经过合理地配置工况参数，以达到减轻微动损伤的效果，对于容器的抗渗漏具有 指导意义。 4 对密封胶对螺接接头的微动损伤防护效果进行了研究，对涂胶和未涂胶两种螺接 件的微动振幅、板面应力、以及由于摩擦而产生的板面温升等参数进行了对比测试， 得到了一些新的结论。并讨论了胶接接头的耐久性闯题。 5 分析了由于微动磨损而造成零构件疲劳失效的机制，提出了这类微动疲劳模式下 疲劳寿命的一种新的计算模型，并成功地计算了螺纹联接板件的微动疲劳寿命。此 密封容器抗渗漏机理与方法的研究 计算模型的建立，为容器抗渗漏寿命的计算提供了必要的依据。 6 针对影响容器密封性能因素多的特点，首次将模糊数学的方法用于容器抗渗漏寿 命的评估上，建立了评估的数学模型与流程，较好地解决了这样一些复杂因素的处 理问题，具有一定的实际工程意义。 童塞堕窒墼圣奎兰堡主兰堡篁塞 第二章微动损伤的研究现状与发展 由微动引起的机械零部件接触表面的破坏，或裂纹的萌生、扩展与断裂，都可 以导致整个系统失效。微动与滑动、滚动接触不同，已经成为摩擦学的一个重要分 支。自1 9 2 7 年t o m l i n s o n 首初提出微动腐蚀这一概念以来，微动损伤正受到国内外 越来越多学者的广泛重视，如七十年代w a t e r h o u s e 出版了专著喳1 ，全面总结了微动 损伤的理论和实践：1 9 7 4 年北约航空研究与发展顾问团( a g a r d ) 专门召开学术会 议讨论各种飞机上的微动损伤，并出版了文集 8 1 ：英国也出版了关子微动疲劳方面 的文集口1 ；美国材料试验学会( a s t m ) 在九十年代出版的两本有关微动的文集哺。1 ， 集中反映了目前微动损伤研究的有关成果及水平。我国对于微动损伤的研究工作起 步较晚，七十年代才开始研究，八十年代开始在这方面投入专项基金进行研究。 2 1 微动损伤的概念及研究意义 徼动损伤( f r e t t i n gd a m a g e ) 是存在于近似“静止”配合的机械零件中的一种损 伤方式。h o p p n e r 将微动损伤定义为：两个相互接触表面在一定的法向载荷作用下， 若表面间存在小幅的相对振动运动( 一般认为相对振动幅 3 0 0 耻m ) ，接触表面上所出 现的损伤。按损伤模式的不同，微动损伤通常可分为三种基本形式：( 1 ) 微动磨损 ( f r e t t i n gw e a r ) ，这是指由于微动，在接触表面间产生的细小的磨屑，在空气中磨 屑被氧化，这些氧化物被称为“微动斑”、“锈斑”、“粘结斑”等，它们的颜色与微动 件材质的颜色有所不同，因而在损伤区有无“微动斑”是区分通常磨损与微动磨损的 一个重要的标志。( 2 ) 微动疲劳( f r e t t i n gf a t i g u e ) ，这是指零件在接触损伤区内萌 生裂纹，裂纹在交应力作用下扩展而导致的疲劳强度下降或早期断裂。( 3 ) 微动腐蚀 ( f r e t t i n gc o r r o s i o n ) ，这是指在电解质或其它腐蚀性溶液中，微动与腐蚀联合作 用造成的表面损伤，腐蚀作用占优势。在微动损伤的发展过程中，微动磨损，微动 疲劳和微动腐蚀都可能发生，但它们各自的损伤速率不同，当某一损伤速率占主导 地位时，最终便表现为这一损伤失效模式。这样，随着微动条件的变化，失效模式 的变换也是可能的。 在各种装备系统中，只要接触件作微幅相对运动，就会出现微动损伤，如桥梁 拉索钢丝与钢丝之间：螺纹联接( 或铆接联接) 的各被联接件之间；耳片与销轴联接 件中；电器接插件中；航空发动机的涡轮叶片榫头和轮盘榫槽联接面之间等都存在 由微动造成的微动损伤，因此可以说微动损伤是工程中最为常见、最普遍的一种损 伤。微动损伤同样可能引起很大的不良后果甚至酿成灾难性事故。例如微动损伤可 造成飞机导管磨穿漏油、漏气：电缆插头的销钉孔与销钉产生微动磨损和腐蚀造成 5 ，童塾查墅蒸鎏堡壑曼皇童鎏墼墼塞 电阻增大、仪表指示不稳定；发动机叶片因微动疲劳而断裂；油田的锚泊钢索因微 动腐蚀而使回路受到放射性污染等等。鉴于微动损伤对各种装置的巨大危害，因而 对微动损伤的研究是极有意义的。本文从不同侧面论述了微动损伤的基础研究现状 及其防护方法，并提出了需要进一步研究的问题。 2 2 微动损伤的基础研究现状 2 。2 1 微动损伤机理的研究 微动损伤是一门交叉学科，涉及面广，影响微动损伤的因素关系复杂，因此到 目前尚未形成一个有关微动损伤机理的统一解释方法，不少研究者都是根据徽动试 样的试验观察，对微动损伤的机理提出自己的观点。如在微动磨损方面，t o m l i s m 认 为微动磨损是“分子磨损”的结果；u h l i n g 认为微动磨损过程与化学及机械两方面 的因素有关：s u b 则根据金属位错理论提出了脱层磨损理论【i0 他认为因位错相互 作用而产生空穴和萌生裂纹，由于应力场作用，次表面裂纹继续平行于表面扩展， 产生片状磨屑。在微动疲劳方面，不少学者从表面损伤的角度来讨论微动疲劳的起 因。d u q u e t t e 曾用马氏体钢进行微动试验，提出了与脱层磨损理论很相似的微动疲 劳裂纹形成机制n ”，他认为脱层磨损过程中某些裂纹扩展在材料内部成为疲劳裂纹 萌生。p o o h 根据对铝合金的试验，认为徽动疲劳裂纹可在磨损形成的磨损坑中发生， 但只有在磨损坑的尺寸达到某一临界值时方可萌生裂纹。w a t e r h o u s e 在钛合金对 钢的微动疲劳裂纹试验中也观察到了脱层磨损而诱发疲劳裂纹的现象。此外有关微 动疲劳机理的研究还有c o l l i n s 的粘着理论以及钉札理论等“。 自九十年代以来，法国学者在微动损伤的机理研究上又提出了不少新的理论川 1 4 tn m 】，其贡献可概述为三个方面。( 1 ) 第三体理论：该理论认为在微动磨损过程 中，由于产生了磨屑，所以摩擦系统会由二体接触变为三体接触三体接触可分为 五个位置，每个部位都有四种调节方式( 弹变、断裂、剪切、滚动) ，以此说明在微 动磨损表面经常可以看到的表面塑性流动、微裂纹、片状颗粒及球状磨屑等现象。( 2 ) 速度调节机理：三体接触中的五个位置，每个位置都有四种调节方式，共有二十种 可能运用的调节机理，多次测试结果证明，滑移幅度的变化就是通过速度调节机理 实现的。( 3 ) 微动图：通过对多种材料进行的微动试验发现存在着运行工况与材料响 应这两类不同的微动图，以此为基础可以分析工况参数与微动类型之间的关系。 最近国内学者根据非平衡态热力学理论，提出了一种新的研究微动损伤机理的 方法 1 7 “，该方法认为完善的摩擦学理论应该涵盖摩擦磨损过程的各方面因索： 力学效应、热作用，电磁作用、化学作用和材料效应等五个方面。丽基于非平衡态 热力学守恒关系。特别是熵平衡方程及超熵产生不等式的唯象建模方法所获得的模 型可涵盖摩擦体系的所有过程和因素，以熵为特征参量，使摩擦体系的定量描述成 为可能。由此提出了描述微动损伤的数学模型。指出材料在接触力作用下的粘滞性 流动过程和化学反应过程是决定徽动损伤的主要因素，并预测了在不同微动参数下 6 童塞苎至墅垂奎兰堡主兰堡垒塞 一：一 的磨痕形貌和磨损产物，茬微动试验机上开展的试验结果表明所做的预测是正确的a 2 2 2 微动疲劳强度和断裂力学研究 有关微动疲劳强度和寿命的计算方法，自7 0 年代起，就有许多学者进行了大量 的研究。日本的n i s h i o k a 和h i r a k a w a ( 1 9 1 用试验的方法提出了微动疲劳强度的定 量公式，该式把握了影响微动疲劳过程的主要因子：摩擦系数、接触压力、和滑移 振幅，因而被广为引用，但该式与一些常规疲劳极限较高的材料所表现出的微动疲 劳现象不太相符。又由于微动裂纹是在多轴应力场中萌生的，s a t o 【2 们根据最大剪 应力准则来校核微动疲劳强度，所得的计算值与试验值较接近；还有r u i z 川等人 提出可用微动疲劳损伤因子( f f d p ) 来评价损伤的程度等。近来国内学者提出了一些 计算微动疲劳寿命的新方法，如文献口妇应用局部应力应变法，提出了微动应力集 中破坏形式下的微动疲劳寿命佶算公式：文献n 3 1 首先预测了微动疲劳裂纹萌生点 即危险点的位置，再用该点的应力( 或应变) 状态，按普通疲劳理论及计算方法计算 疲劳寿命，认为该寿命就是微动疲劳寿命。试验结果表明该种预测方法具有定的 准确性。 值得注意的是目前应用断裂力学方法估算微动疲劳寿命已取得了较大的进展a r o o k e 和j o n e 根据微动区内的多轴应力对微动裂纹尖端的应力强度因子进行了计算 2 4 1 ，但目前断裂力学在微动疲劳中的应用还存在一些问题，如微动疲劳裂纹在早期 阶段与表面的斜角对裂纹扩展的影响；i i 型载荷对裂纹扩展的影响等等，而且断裂 力学模型未考虑这一影响，在这些方面仍有许多工作要做。 2 2 3 微动损伤的主要影响因子 影响微动损伤的因子有许多种，有人列举出的因子多达五十多个，而且各影响 因子之间又存在相互作用，这也是微动损伤较其它形式损伤更为复杂的一个原因这 些影响因子可以归纳为三个方面：( 1 ) 接触条件：接触压力p 、循环次数n 、相对滑 动振幅a 、振动频率f 等。( 2 ) 物理条件：温度t 、表面硬度h 。( 3 ) 环境条件：气氛、 溶液、润滑等d o b r o m i r s k i 2 5 1 将上述的这些因子分为“一次因子”或“二次因子”， 并认为“二次因子”只有通过“一次因子”才能对微动损伤有所影响，而真正的“一 次因子”只有三个，即摩擦系数、滑移振幅和接触压力，其中最重要的就是摩擦系数。 在微动摩擦系数的研究方面，国内的学者做了许多有益的工作2 6 ，他们研 制了微动桥式试验装置及试验方法，对由g x 8 和1 1 两种材料组成的微动副进行了 微动试验，通过对微动滑移振幅、接触正压力和微动摩擦力的测量，得出了在不同 的接触正压力p 时，微动滑移振幅与微动摩擦系数之问的关系。如图2 1 所示。 有关各种因子与微动损伤的关系已有一些专著和文献【2 “2 9 1 评述。图2 2 、图2 3 为文献 2 8 3 列举的接触压力、相对滑动幅度这二个一次因子对微动疲劳强度及寿命 的影响状况。 7 、 巅 懈 叠8 避 需 菇 微动幅值( 岫) 图2 1 一微动幅值f 与微动摩擦系数厂 之间的关系 j v 馨 联 霹 串 垂直压力( 赋m 2 ) 图2 2 负荷对质量损失和振幅的影响 频率9 h z ；循环数6 7 8 0 0 次 振幅( u m ) 图2 3 不同垂直压力下，振幅 和微动疲劳寿命之间的关系 2 3 微动损伤的防护 2 3 1 表面改性技术 各种表面改性技术通常不需改变原产品的设计和材料，经济易行。其中有些方 法可用于磨损件的修复。若从工艺方法来分，表面改性技术可分为表面机械强化、 表面热处理、化学热处理、电化学处理、热喷涂技术、离子镀膜及离子注入技术、 化学气相沉积( c v d ) 和物理气相沉积( p v d ) 等。从摩擦学的角度来看，各种表面改性 方法都是通过降低摩擦因数或提高微动接触面的硬度、屈服强度来改善材料的抗微 动损伤性能的。当前不少学者对各种表面改性技术都进行了研究，具体反映在研制 了各种表面改性技术的工艺规程，对表面改性的涂层材料进行了对比和选择，对一 些常用的金属材料如铝合金、钛合金、碳钢等进行了多种表面改性试验，得出了较 好的防护方法如近来国内研究人员提出一种以位错、强化为特征的挤压强化工艺 3 0 j 对四种材料3 0 0 1 、3 0 c r s 认、a 3 和l y l 2 进行了带开缝衬套的冷挤压强化， 结果显示该工艺能明显提高结构孔的包括微动疲劳寿命在内的疲劳寿命，并随挤压 量的增大，疲劳寿命的增益也普遍增大，其中3 0 0 1 n 钢挤压件的中值疲劳寿命是未挤 压件的2 5 倍左右，l y l 2 最大达4 倍以上。文献n 。嘲根据微动磨损的热力学简化 8 塞塞苎窒壑圣查耋堡圭堂堡篁塞 模型分析提出了改善材料的粘滞性流动特性，利用激光淬火实现钛合金t c l l 的表面 强化，提高其抗微动磨损能力，试验结果表明，材料的耐磨性提高1 2 0 倍，摩擦系 数降低2 3 4 5 。文献m 1 也_ i 芷实孑激光冲击处理能够显著提高铝会金微动疲劳寿 命、降低疲劳裂纹的扩展速率。 2 3 2 材料副的选择 由于粘着和表面疲劳在微动磨损中起主导作用，因而材料副的选择须着重考虑 材料副的抗粘着性能和表面疲劳性能。早期国外一些学者对不同金属材料的配对进 行了微动损伤对比研究【a “3 “，近来非金属材料和复合材料由于它们良好的抗微动损 伤性能，正得到广泛的重视。已有研究表明m 1 ，在非金属材料中，各种聚合物对钢 微动疲劳时，总是钢被磨损并以氧化物的形式转移到聚合物上。在复合材料中，有 一种s f - - 2 型的高分子复合材料d ”，有良好的抗微动磨损性能，在和滚珠钢对磨时， 它的性能优予4 0 c t 钢、尼龙6 6 、聚碳酸脂等材料，可以预见在实际工程中有 微动存在的场合将越来越多地使用非金属材料和复合材料。 2 3 3 结构设计 对于一些常见的联接结构形式，如轴毂联接、销轴联接、螺纹( 铆钉) 联接等， 在设计中考虑减少微动振幅或交变应力值，可采用增强部件刚度、减少配合件公差、 保证加工精度、保证同心度、加强防松措旌、采用压配合等。也有用单一元件代替 多元件的组合，或将配合面焊( 胶) 接成一体来减少接触面，但这些方法常常受重量、 尺寸、装拆等方面的限制。近年来国内一些学者结合工程实例，在力学分析的基础 上，通过改进微动件的结构参数来减小微动损伤，如文献 3 “3 9 3 通过对燕尾形榫联接 的应力和裂纹位置的分析计算，提出了减小该联接微动损伤的修形方法：文献【2 ”讨 论了不同的干涉量、预紧力以及孔的冷挤压工艺对螺接件微动损伤及微动疲劳寿命 的影响等。 综上所述可知，目前的徽动损伤研究已取得了一定的成果，但距实际工程应用 的要求仍存在较大的差距，还有一些尚待解决的问题，如非金属材料、复合材料以 及表面改性层的微动损伤机理：微动区内各种参数场的分布及测量控制方法；微动 损伤的寿命模型建立；微动损伤的防护新工艺等。 = 2 4 微动损伤研究的发展趋势 微动损伤的机理相当复杂，它牵涉到粘着，疲劳、腐蚀及磨损等多种损伤机制， 影响微动损伤的因素也相当多，而且这些因素的影响作用具有时交性和相干性的特 点。 9 ：童墼窒墅蒸鎏塑壑翼耋查鋈墼堑塞 ： 2 4 1 微动损伤机理的进一步研究 探索微动机理的目的在于确定各种环境及表面处理对材料微动损伤的影响，以 寻求改善它的途径。对微动损伤机理的进一步研究主要表现为三个方面：( 1 ) 材料方 面。目前微动损伤研究所针对的材料主要是碳钢、铝合金、钛合金等传统金属材料， 随着材料技术的发展，可以预见工程中将大量使用新型材料，如复合材料、高分子 材料、工程塑料、工程陶瓷等，对新型材料微动损伤规律的研究将是很必要的。( 2 ) 工况环境方面：工程中，许多设备所处的工况环境较为特殊，如航空发动机是处于 高温环境中工作的；化工机械是处于腐蚀介质环境中工作的，因而对微动损伤机理 的研究将从一般环境拓展到特殊环境；( 3 ) 防护方面：出于微动损伤防护方面的需要， 接触表面的各种改性技术、各种润滑荆、添加剂的研制技术还要进一步发展，这就 要求对各种表面改性层、润滑层在微动损伤中的作用机理作进一步的研究，为减小 微动损伤指明方向。 2 4 2 微动件结构参数控制 要想完全消除微动损伤是不可能的，但可以通过控制微动件的结构参数来减轻 微动损伤的程度，这需要用力学分析的方法来计算接触面间的应力场和位移场的分 布形式。以往的计算模型大都是建立在摩擦系数为定值的基础之上，而微动摩擦系 数与常规摩擦系数有所不同，前者具有时变性的特点h o 】，因此下一步的计算工作将 在交摩擦系数的基础上进行，计算的工况条件也将由简单向复杂的方向发展。 2 4 3 微动疲劳寿命 准确确定微动件的疲劳寿命对其设计，检修和更换都是十分重要的。微动疲劳与 普通疲劳的不同之处主要表现在：微动裂纹的萌生受表面层的磨损影响；微动裂纹 的扩展不仅受外加载荷的影响，而且受接触面间摩擦力的影响“。微动裂纹的萌生 寿命和扩展寿命分属于短裂纹、长裂纹的扩展问题，需应用微观结构断裂力学及弹 性断裂力学予以解决。 2 4 4 损伤力学、细观力学在微动损伤中的应用研究 材料的微动损伤从开始磨损直至破坏是一个逐渐劣化的过程，在这个过程中， 损伤基元的存在和发展演化使实际的材料结构既非均质也非连续，以研究微观结构 为主的损伤力学、细观力学能动态地描述损伤破坏的过程，对于材料和结构的破坏， 给出具体的判断而且利用连续损伤力学的方法也可分析裂纹扩展行为，因而它们是 研究微动损伤的一种有效的方法下一步的工作主要是如何综合考虑多因素的影响 作用，从物理学、热力学和力学的观点来阐明和描述损伤，如何确定初始损伤条件 和损伤破坏准则，以及建立从微观到宏观、系统的量化的微动损伤理论模型等。 南京航空航天大学博士学位论文 2 4 5 工业应用研究 重视基础研究成果在工业中的应用。要加强对典型机械零件结构中的微动损伤 研究，研制出各种抗微动损伤的联轴器、键联接、花键联接、螺纹联接、齿轮传动、 轴承、钢缆等：还要解决在工程中遇封的微动损伤f 母题，如存在于飞机、透平机、 机车车辆、电器接插件、传输电缆等装备中的微动损伤问题；制订有关微动领域的 统一标准、统一术语；开展失效分析活动，收集微动失效方面的实例，建立图谱， 做到微动损伤的早发现、早鹪决等。 2 5 小结 微动损伤在工程中是广泛存在的，它对各种装置装备具有很大的破坏性。对此 国内外的研究人员进行了大量的研究。本章对微动损伤研究的两个主要部分，即微 动损伤的基础研究和防护方法这两个部分进行了系统的论述，尤其对当前的研究现 状及所取得的成果做了重点阐述。 在基础研究部分，主要论述了徽动损伤机理、断裂力学的应用、微动损伤的影 响因素这几个方面的研究发展过程，并说明了一些尚待研究的问题。在防护方法部 分，主要论述了减轻微动损伤的有效方法，如表面处理、新材料应用、改进结构设 计等，并说明了当前在此方面所取得的一些成就。 从微动机理研究、微动件结构参数控制、微动疲劳寿命估算、工业应用、防护 等方面，就这门学科的发展趋势提出了自己的观点。 第三章螺纹联接件的微动损伤 及其涂胶防护试验研究 对于螺( 铆) 接薄壁容器，其联接接头在受到振动或交变载荷作用时，接合面间 由于弹性变形的差异会发生微幅的相对振动，导致螺接件的螺栓头和搭接板之间、 两搭接板的接触面之间，以及螺栓体与被联接件相配合的孔之间发生微动磨损，微 动磨损加速了疲劳裂纹的萌生，导致联接件的断裂失效，造成容器渗漏。 影响螺接件微动损伤及疲劳失效的因素很多，如螺栓预紧力矩、螺栓与孔的配 合形式、干涉量的大小、孔的制造工艺、搭接板的加工及表面处理方法、应力水平、 载荷频率、现场服役条件等，而其中螺栓预紧力矩是一个重要的因素，因为它的大 小会影响到螺接接触面间的应力、振幅这样一些最主要参数的大小和分布，而这些 参数直接决定了螺接件微动损伤的状况，目前有关这方面的研究还较少。作为研究 容器防渗漏课题的重要环节，本章以l y l 2 c z 铝合金双盖板为研究对象，通过试验， 研究了不同的螺栓预紧力矩对螺接件微动损伤的影响情况。与此同时对螺( 铆) 接 件微动损伤的防护方法也有多种形式，如采用橡胶夹层、铜铂夹层、激光表面淬火、 冷挤压孔、喷丸等方法，文献h “1 专门讨论了这些方法对螺接件微动损伤的防护 效果。由于螺铆接容器多采用密封胶来防渗漏，因此本章着重探讨了密封胶对螺接 件微动损伤的防护效果，对比测试了涂胶与未涂胶两种螺接试件接触板面间的微动 振幅、应力、温升等参数，并定性地讨论了螺接联接试件防渗漏的耐久性问题。 3 1 螺纹联接件的微动损伤研究 3 1 1 试验件与试验方法 一试验件 试件的结构如图3 1 所示，试件的材料为l y l 2 c z 铝合金，其化学成分与材料的 热处理及机械性能见表3 1 和表3 2 。 1 2 表3 i 材料的化学成分( ) 漩 m g m nc uf es iz nn ia l l y l 2 c 铝合金 1 5 4o 5 8 4 6 1 0 2 90 2 60 i o 0 2 4 余量 表3 2 材料的热处理及机械性能 热处理 i 口6 ( u p a ) ，( m p a ) 6 e ( m p 8 ) 淬火时效f 4 5 23 4 8 61 9 40 7 2 1 0 6 童塞堕至墅圣查耋堡圭兰丝垒塞 h 8 兮 8 也6 图l 试件结构尺寸 试件在进行徽动试验前保证以下技术条件： ( i ) 板件表面必须平整，不允许有划痕、碰伤等缺陷，且不经过任何表面处理； ( 2 ) 螺栓与螺栓孔配合形式为间隙配合。配合间隙为0 1 硼左右； ( 3 ) 试件在装配前用丙酮或乙醇等进行脱脂处理，使之保持清洁； ( 4 ) 装配后试件应保持平直，接合面应保持密切贴合，不得有挠曲、扭曲等现象； ( 5 ) 同一试件上所有螺栓头应位于同一益板上，螺栓头螺母与盏板之间均垫有垫圈； ( 6 ) 螺栓预紧力矩达到规定值后，采用对顶螺母进行防松： 二试验设备和测试仪器 试验所用的主要设备为p w 3 - 1 0 型高频疲劳试验机，它主要由两部分组成：主机 和控制柜。试验机的振源是电磁式激振器，用于提供高周交变载荷。其主要技术指 标是： ( l ) 单向最大拉伸或压缩脉动载荷：l o 吨。 ( 2 ) 最大拉压交变载荷：5 吨 ( 3 ) 频率范围：8 0 2 5 0 h z ( 4 ) 计数容量：1 0 s 次 主要测试仪器为： 。 ( 1 ) y 6 d - 3 a 型动态电阻应变仪：用于将应变片变形量的变化转变为电信号输出。它 是六线动态电阻应交仪，工作频率为o 1 5 0 0 t l z ，应交测量范围为1 0 0 0 0 ，最大 线性输出为5 0 m a ，性能指标较高，稳定性较好。 ( 2 ) d y - 3 型电源供给器：用于为y 6 d - 3 a 应变仪提供稳定电源。 ( 3 ) s t l 6 a 型电子示波器：用于对振动的波形进行观察，测量 试验系统的组成如图3 2 所示。 图3 2 试验系统的组成 三试验内容 根据前期研究h 6 “2 b 】，对于闻隙配合的螺接件，在一定的外载荷作用下若螺栓 的预紧力矩较小而不足以阻止联接板面间整体相对滑移对，联接件的破坏裂纹起始 于螺栓孔与交变载荷相垂直的孔口上，它表现为孔口应力集中破坏形式，这时被联 接板件在很短的寿命下即发生疲劳断裂破坏。因此必须采用适当的螺栓预紧力矩， 以保证在外载作用下，被联接板面闯既能产生足够大的滑动振幅以保证微动损伤效 果，又不会产生整体相对滑移，使试件由微动疲劳转变为普通疲劳。本试验所采用 的三种螺栓预紧力矩为6 8 6 n m 、9 8 n m 、1 2 7 4 n m 。在这三种力矩下，被联接板 面阀不会产生整