（车辆工程专业论文）铁路罐车罐体铝铝镁合金层合板疲劳性能研究及应用.pdf

北京交通人学硕十学位论文中文摘要 中文摘要 摘要t 浓硝酸作为三大工业强酸之一，是一种重要的化工基础原料，在国民现代 化建设中发挥着举足轻重的作用。随着我国经济的发展，对浓硝酸需求日益旺盛， 其铁路运输压力也随之与日俱增。为了满足快速增长的运输需求，西安车辆厂提 出在已有6 0 t 浓硝酸罐车基础上研发7 0 t 浓硝酸罐车，然而，升级换代后的罐体若 继续沿用纯铝材料，会因纯铝强度低而出现罐体变形严重和强度不足等一系列问 题，解决重载和强度不足之间的矛盾也是研制7 0 t 级罐车的关键所在。考虑到轻量 化设计需要和浓硝酸对铝合金的强腐蚀性，而纯铝耐腐蚀性强，经综合考虑防腐 和强度两方面因素。最终通过比较试验，选定铝铝镁合金层合板为罐体材料。 本文以疲劳试验为基础，建立了铝铝镁合金层合板材料的s - n 曲线。并基于 弹塑性有限元理论，借助a n s y s 分析软件，对铝铝镁合金层合板受力过程进行数 值模拟，得出了组元金属随载荷递增过程的应力应变分布规律，揭示了层合板疲 劳断裂机理。据此，建立了7 0 t 浓硝酸罐体的有限元模型，并对罐体承受心盘载荷、 侧滚载荷、液体冲击载荷及饱和蒸汽压力载荷四类载荷工况进行了有限元数值模 拟。最后结合实验所得s _ n 曲线和有限元分析结果，采用从r 标准载荷谱对罐体 疲劳损伤和疲劳寿命进行了估算，结果表明该层合板材满足7 0 t 罐车使用寿命要 求。 关键词：铝铝镁合金层合板；7 0 t 浓硝酸罐车：弹塑性；a a r 标准；疲劳损伤； 寿命估算 分类号： 北京交通大学硕1 ：学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：a so n eo ft h et h r e es t r o n ga c i d s ，c o n c e n t r a t e dn i t r i ca c i di sa ni m p o r t a n t c h e m i c a lr a wm a t e r i a l w i mt h es t a b l ea n dr a p i dg r o w t ho fc 1 l i n a t se c o n o m y ，t h e d e m a n do fc o n c e n t r a t e dn i t r i ca c i di sp r o m i n e n t a tt h i ss i t u a t i o n ，t r a n s p o r tp r e s s u r e b e c o m e sm o r es e r i o u s i no r d e rt om e e tt h et r a n s p o r td e m a n do fc o n c e n t r a t e dn i t r i ca c i d b a s e do nt h eo r i g i n a l6 0 t - t a n k e r s ，x i a nr m l w a yt r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n tc o ，l t d p r e p a r e st or e s e a r c ha n dd e v e l o p7 0 t - t a n k e r s b ya n a l y z i n g , t h em a t e r i a l so ft h et a n k e r s h o u l db ec h a n g e d b e c a u s e ，i fw ec o n t i n u et ou s ea l u m i n u m ，d e f o r m a t i o no ft h et a n k e r w i l lb es e r i o u sa n dar a n g eo fi s s u e ss u c ha ss t r e n g t hw i l lb ea l s oa p p a r e n t i nt h i s s i t u a t i o n , h e a v yl o a da n dd e f i c i e n c yo fs t r e n g t hi st h ep r i n c i p a lc o n t r a d i c t i o no ft h e t a n k e r t a k i n gi n t oa c c o u n tt h el i g h t w e i g h td e s i g nr e q u i r e m e n t s ，c o n c e n t r a t e dn i t r i c a c i d s s t r o n g c o r r o s i v et oa l u m i n u m a l l o y , a n d p u r e a l u m i n u mh a s s t r o n g c o r r o s i o n r e s i s t a n t ，s o ，t h er e s e a r c hh a v ec o n s i d e r e dt h ei n f l u e n c eo fc o n c e n t r a t e dn i t r i c a c i d sc o r r o s i o na n ds t r e n g t ho ft h et a n k e r b yc o m p a r i n gt h em a t e r i a l s ，u l t i m a t e l y , w e d e t e r m i n et h ea l u m i n u ma n da l u m i n u m m a g n e s i u ma l l o yl a m i n a t em a t e r i a la st h e m a t e r i a lo ft h et a n k e r 。 i nt h i sp a p e r , s - nc u r v ei se s t a b l i s h e db a s e do nt h er e s u l to ff a t i g u et e s t ；t h es t a t eo f s t r e s sd i s t r i b u t i o nw a ss h o w e da f t e rt h ee l a s t i c p l a s t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y z e db y a n s y s11 o t h ec h a n g el a wo fs t r e s sw a sa l s oo b t a i n e db yt h ea n a l y z i n gd a t a a sa b a s i so ft h e s e ，af i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h et a n k e rw a se s t a b l i s h e d ，c e n t e rp l a t el o a d ， t o t a ls i d eb e a r i n gl o a d ，l i q u i di m p a c tl o a da n ds a t u r a t i o nv a p o rp r e s s u r el o a dw a r e c a l c u l a t e d f i n a l l y , c o m b i n i n gw i t ha a r s t a n d a r dl o a ds p e c t r u mo ff a t i g u ed a m a g e ，t h e f a t i g u el i f eo ft h et a n k e rw e r ee s t i m a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h el a m i n a t ep l a t e m a t e r i a lm e e tt h er e q u i r e m e n t so f7 0 tt a n k e r k e y w o r d s ：a l a l m ga l l o yl a m i n a t e dp l a t e ；7 0 tc o n c e n t r a t e dn i t r i ca c i dt a n k e r ； e l a s t i c - p l a s t i c ；a a rs t a n d a r d s ；f a t i g u ed a m a g e ；f a t i g u el i f ep r e d i c t i o n c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：曼京叙 、 导师签名： 签字日期：铷。罗年6 月，寥日 签字日期：矽劈月厂方同 北京交通大学顾卜学位论文独创性声明 独创i 生声明 本人声明所旱交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同上作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王京名良签字日期：如尹年( 月f 多日 致谢 本论文的工作是在导师谢基龙教授的悉心指导下完成的。导师严谨的治学态 度、广博的学术知识以及科学的工作方法都让我受益匪浅。导师在学术研究和日 常生活中都给予了大量的鼓励，支持和帮助，使我倍感温暖，受益终身。在此论 文完成之际，谨向导师谢基龙教授表示最诚挚的谢意和祝愿。 本论文的实验部分是在邹骅老师悉心帮助下完成的，同时缪龙秀教授、孙守 光教授、李强教授、刘志明教授以及王文静老师，金新灿老师对本论文的完成也 给予了关注和指导，在此衷心感谢各位老师。在实验室工作及论文撰写期间，得 到宋占勋博士、纪铅磊、张博、郭乃文和其他实验室同学的热心帮助和鼎力支持， 在此一同向他们表达感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够专心完成学业。 王亲敏 二零零九年六月 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 1 选题背景 1 绪论 随着我国工业化进程，化工原料的需求也日益旺盛。浓硝酸作为三大工业强 酸之一，在国民现代化建设中发挥着举足轻重的作用。截止到2 0 0 5 年底，我国浓 硝酸产能为2 2 0 万吨左右；2 0 0 6 年，新增产能5 8 万吨，同比增长2 6 3 ；2 0 0 7 年l 季度，又新增产能3 5 万吨；到2 0 0 7 年底，全行业总产能超过3 2 0 万吨。而 且随着工业化进程，需求量还在快速增长，预计未来2 3 年里，浓硝酸供给量将 会以每年超过1 0 的速度递增【l j 。 浓硝酸需求的快速增长，使得其铁路运输运力不足的矛盾日益突出。为了缓 和及解决这一矛盾，根据铁路货运重载技术政策，提出在已有6 0 t 级罐车基础上研 制7 0 t 级罐车。提升罐车主要技术经济指标的同时，全面提升运输能力。但是尚若 升级换代后的罐体继续沿用纯铝材料，会因纯铝强度低而导致罐体变形严重和强 度不足等一系列问题，解决重载和强度之间的矛盾也是设计7 0 t 级罐车的关键所 在。由于考虑到浓硝酸对大多数金属的强腐蚀性，所以新材料的选取必须综合防 腐和强度两方面特点，此外还必须考虑到车辆轻量化设计需求。为此西安厂曾考 虑采用强度较高且耐硝酸腐蚀性良好的3 0 0 3 铝锰合金作为罐体材料，但经西北大 学分析测试研究中心腐蚀实验结果表明：该材料腐蚀严重不能满足耐腐蚀性能要 求。此后，为了进一步寻求合适的罐体材料，2 0 0 6 年底西安厂开始研究采用层合 板材料的可行性，经过对国内、日本、美国等相关材料生产、研制单位的充分调 研，并借鉴日本、欧洲的相关经验，最终提出了铝铝镁合金层合板材料作为7 0 t 浓硝酸罐车罐体材料的设计方案【2 】。该方案设计思路为：罐体内层与浓硝酸直接接 触表层继续沿用10 6 0 号纯铝材料，该材料是常用工业纯铝，具有良好的抗腐蚀性 能，经过长期使用经验表明该纯铝材料满足浓硝酸腐蚀要求；外层选用5 0 5 2 号铝 镁合金材料，相比纯铝材料而言该合金材料强度较高，屈服强度达1 9 5 m p a ，抗拉 强度2 3 0 m p a 。并且经西安厂界面结合试验证实5 0 5 2 铝镁合金材料与1 0 6 0 号纯铝 材料层间结合良好，界面结合率达1 0 0 。该层合板设计方案充分发挥了两层材料 各自优点：纯铝层抵抗浓硝酸强腐蚀，铝镁合金层弥补车体强度。目前已完成对 该层合板材料的生产试验、机械性能试验、冷加工实验和焊接工艺试验，各项性 能优良。本文主要研究工作是建立在上述基础之上进一步研究材料疲劳特性，最 北京交通大学硕士学位论文 绪论 终结合数值模拟及罐车相关疲劳规范全面评价铝铝镁合金层合板材料作为罐体材 料的可行性。 1 2 金属疲劳破坏 疲劳，作为专业术语是用来描述材料在循环荷载作用下的损伤或破坏的特性。 美国实验与材料协会( a s t m ) 在“疲劳实验及数据统计分析之相关术语的标准定 义 ( a s t me 2 0 6 7 2 ) 中将疲劳定义为：在某点或某些点承受扰动应力，且在足 够多的循环扰动作用之后形成裂纹或者完全断裂的材料中所发生的局部的永久的 结构变化发展过程【3 】。 疲劳对机械结构的危害巨大，往往造成灾难性事故，带来巨大的经济损失。 因此研究疲劳问题，寻找提高材料疲劳抗力的途径以防止疲劳断裂事故的发生具 有重大的意义f 4 1 。据1 5 0 多年来的统计数据表明，在现代工业的各领域中，因疲劳 破坏引起的结构强度破坏就占了8 0 ；而国外所得到的一些统计也显示，机械零 件的破坏5 0 0 0 , , , 9 0 均为疲劳破坏【5 】。 在铁路领域，疲劳也常有发生。其中铁路机车车辆的零部件如车钩、连杆、 构架等，在服役过程中承受的载荷主要是疲劳载荷，其中多数还属于非对称循环 疲劳载荷( 平均应力om e ：0 ) 。因此必须对它们进行抗疲劳设计，以避免因疲劳失 效造成人员伤亡和财产损失。 铁路史上有过两次惨痛的教训：1 8 4 2 年在法国凡尔赛附近由于铁路机车前轴 的疲劳破坏发生了一次铁路事故，造成了重大的人身伤亡。1 9 9 8 年6 月3 日，德 国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成1 0 0 多人遇难身亡。事后调查表明，事 故的原因是由一节车厢的车轮内部疲劳断裂引起的，从而导致了这场近5 0 年来德 国最惨重铁路事故。 1 3 疲劳分析的现状 一般来说，疲劳分析的核心问题可以归结为：在给定的载荷及环境下，如何 恰当的描述结构各内场( 如应力、应变、位移、刚度等) 的变化史问题，常规的 疲劳分析重点在于结构的剩余强度与剩余寿命的求解问题【6 】。 金属疲劳的最初研究是由一位德国矿山工程师矿a a l b e r t 在1 8 2 9 年左右完成 的。他用铁制的矿山升降机焊接链进行了反复加载试验，以验证其可靠性。1 8 3 9 年，法国人j v 彭赛列在他的著作中首次使用了“疲劳”这个名词。1 8 4 3 年，苏 格兰人形j m r a n k i n e 讨论了机车车轴的破坏：认为疲劳是由运行过程中金属性能 2 北京交通大学硕上学位论文绪论 的逐渐变坏所致。他分析了轴肩尖角的有害影响，指出加大轴肩圆角的半径可以 提高其疲劳强度。1 8 5 2 1 8 6 9 年期间，w o h l e r 对疲劳破坏进行了系统的研究，他发 现用钢制作的车轴在循环荷载作用下，其疲劳强度大大低于静载强度【7 1 。 第一个对疲劳进行系统试验的人是德国人a 沃勒。他从1 8 4 7 年至1 8 8 9 年在 斯特拉斯堡皇家铁路工作期间，完成了循环应力下的多种疲劳实验。1 8 5 0 年，他 设计了旋转弯曲疲劳实验机，用来进行全尺寸机车车轴的疲劳实验和不同应力状 态下的疲劳实验。认识到疲劳破坏可以在应力低于弹性极限时发生，并存在一个 应力幅极限值，当应力幅小于该值时就不会发生疲劳破坏。他从应力寿命图上指 出，疲劳寿命随应力幅的增大而降低，并提出利用曲线来描述疲劳行为的方 法【8 】。1 8 7 4 年，德国工程师h g e r b e r 开始研究疲劳设计方法，提出了考虑平均应 力影响的疲劳寿命计算方法。1 9 1 0 年，o j 4 b a s q u i n 提出了描述金属孓曲线的经 验规律，同时指出：应力对疲劳循环的双对数图在很大的应力范围内表现为线性 关系。此后随着显微镜技术的发展，人们开始着眼于从微观来研究疲劳破坏的机 理，1 9 2 0 年，英国人a a 格罩菲斯提出了裂纹扩展的能量理论，提出了s 口= c 的 公式( 其中s 为断裂的名义应力，a 为裂纹尺寸，c 为常数) ，使之成为了断裂力 学的始祖。1 9 4 5 年m a a l 4 i n e r 提出疲劳线性累积损伤理论，成为了疲劳寿命估算 中最重要的基础。1 9 5 3 年，澳大利亚人a k 赫德提出了疲劳裂纹扩展的理论，但 未经实验验证。1 9 5 7 年，美国人g r i r w i n 研究了中心裂纹板在垂直于裂纹的方向 受拉伸的情况，在裂纹尖端附近弹性力学应力分析基础上，把裂纹尺寸的平方根 和应力的乘积定义为应力强度因子，为弹性断裂力学和疲劳裂纹扩展规律的研究 奠定了基础。1 9 6 3 年，p c p a i r s 提出疲劳裂纹拓展速率可以由应力强度因子幅度 4 k 来描述，提出疲劳裂纹拓展速率可以由应力强度因子幅度4 k 来描述【8 】。 对于疲劳试验数据处理方法，2 0 世纪4 0 年代就进入概率统计处理阶段。威布 尔、波普、史图伦等科学家在各自的著作星都阐述了概率统计方法下的疲劳数据 分布研究，为疲劳实验成为更可靠的工程设计奠定了坚实的基础。然而就整个疲 劳分析历史来看，尽管人们认识和研究疲劳的历史将近达1 8 0 年，但是迄今为止 还没有找出一个既能符合工程需要又能从物理化学本质上解释破坏机理的理论。 而且随着科技的进步和社会的发展，各种新型材料相继问世，疲劳依旧是机械结 构和工程结构设计需重点关注的问题【9 1 。 1 3 论文主要研究内容 为了研究材料的疲劳性能，工程应用中一般先确定结构零部件应力和材料疲 劳性能数据，之后根据名义应力法或局部应力一应变法求得各应力循环的疲劳损伤， 3 北京交通人学硕士学位论文 绪论 最终结合m i n e r 累积损伤法则求得疲劳寿命。本文即采用名义应力法，分别计算 各载荷工况下罐体各部位的损伤，然后根据m i n e r 累积损伤法则得到累积损伤， 最后评估罐体的疲劳寿命。 本文结合理论研究和疲劳试验结果，获得材料基本疲劳性能参数，并借助于 有限元分析结果结合罐车设计标准及损伤理论预测罐车寿命。研究工作将从以下 几个方面展开： 1 绘制铝铝镁合金的洲曲线并观测试样裂纹扩展规律。本部分主要从试验 出发，得出材料s n 曲线方程，同时绘制材料2 0 0 万次循环作用下的g o o d m a n 图。 2 结合弹塑性理论，借助于有限元软件对试样进行数值模拟。揭示铝铝镁合 金层合板应力应变分布状态，为层合板断裂机理分析提供理论基础，同时完成了 层合板抗拉强度的预测工作。 3 借助于罐车设计标准，采用有限元法计算罐体各工况作用下应力状态，最 终结合疲劳线性损伤理论估测车体寿命。 4 北京交通人学硕士学位论文疲劳性能研究方法 2 疲劳性能研究方法 为了完成对罐体寿命的预测工作，确定材料疲劳性能数据，建立s - n 曲线是 一项重要的工作。本章主要以实验为基础，确定铝铝镁合金层合板的疲劳特性曲 线和2 0 0 万次循环作用下的g o o d m a n 图。实验应力水平分别选取4 8 1 8 m p a 、 7 2 2 7 m p a 、8 4 3 2 m p a 和9 3 3 6 m p a ，加载方式分为轴向拉一压( 应力比r = - i ) 、轴 向压缩( 0 一压) 、轴向拉伸( 0 一拉) 三类模式。实验主要工作包括：观测层合板 断裂模式，记录层合板疲劳寿命。 2 1 材料的基本s - n 曲线 为了合理评估材料疲劳寿命或疲劳强度，必须建立外载荷与寿命之间的关系。 通常将疲劳失效以前所经的应力或应变循环次数称为疲劳寿命，用n 表示。试样 的疲劳寿命取决于材料力学性能和施加的应力水平。一般来说，材料的强度极限 越高，外加应力水平越低，疲劳寿命越长；反之，疲劳寿命越短。反映应力水平s 和寿命n 之间关系的曲线称作为材料的s - n 曲线( 如图2 一1 ) ，简称洲曲线，又 称为沃勒曲纠m 】。该曲线表示应力与材料标准试样疲劳寿命之间的关系，是用于 估算疲劳寿命和进行疲劳设计的基本疲劳性能描述。将疲劳试验所得的数据以最 大应力仃。，或应力幅值仃。或应力范围a o 为纵坐标，以破坏时的循环次数n 为横 坐标即可绘制争曲线。典型争曲线可分为三段：低周疲劳区域、高周疲劳区 和亚疲劳区。通常对于高周疲劳区和亚疲劳区段的争曲线有如下经验公式【l l 】： 5 北京交通大学硕上学位论文 疲劳性能研究方法 s b 图2 - 1 典型的洲曲线 f i g 2 1c l a s s i c a ls - n c u r v e 1 b a s q m n 公式： 仃，( 2 n ) 6 = 疋 式中仃，为疲劳强度系数，b 为实验常数。 2 幂函数模型： n 。s a = c 式中，口和c 为通过试验测定的材料常数。 将上式两边取对数，可变成： a + 6 l g s = l g n l g c 为常数，可以用b 表示，这样，在双对数坐标图中， 性关系。 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) l g t r 与l g n 就成了线 3 指数函数模型： n e c t s = c 式中，口和c 为通过实验测定的材料参数。 将上式取对数，可变成： a s l g e + l g n = l g c 可以改写成： a s + 1 9 = b 式中，系数a = a l g e 。可以从式子看出，此模型在半对数坐标图上， 成线性关系。 6 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) s 与l g n 北京交通大学硕士学位论文疲劳性能研究方法 4 w e i b e l l 公式： n f = s f 心，一s 0 式中s 、b 和疋。为材料常数，当b 0 ，墨为疲劳极限。 由于材料对不同的循环次数n 值，应力水平s 值也随之不同，为了全面准确 地反映材料的疲劳寿命，必须通过实验数据建立材料的9 w 曲线。 通过大量的实验表明，材料的s - n 曲线均表现出一定的规律性。对一般钢和 铸铁的s n 曲线都存在水平渐近线：最。= s r ，当材料应力大于s 时，材料在经 受一定的循环周数后就会发生疲劳破坏；而当应力小于s 。时通常认为材料拥有无 限寿命。将这一水平渐近线所对应的s 值称为疲劳极限( 如图2 2 左图) ，它表征 材料在该应力水平以下，可以承受无限次循环而永不破坏。一般，钢结构取循环 基数为1 0 7 次时得到的疲劳极限作为该材料的疲劳强度。而铝合金等有色金属及其 合金材料s - n 曲线一般不存在水平渐近线，其s _ n 曲线无类似的渐近线( 如图2 2 右图) ，这类材料在1 0 7 次之后曲线还没有完全水平段。 l g nl g n 图2 - 2 典型材料的s - n 曲线 f i g 2 - 2c l a s s i c a ls - nc u r v eo fm a t e r i a l 2 2 最小二乘法拟合s - n 曲线 最小二乘拟合是经典的曲线拟合方法之一，本文采用该拟合方法确定材料的 s n 曲线，选用幂函数作为该材料s n 曲线模型。拟合过程如下： 首先对公式s 口= c 两边取对数得： 7 北京交通人学硕士学位论文 疲劳性能研究方法 口l g s + l g n = l g c ( 2 8 ) 令l g n = x ，l g s = y ，上式变为：y = 彳+ b x 则a = l g c a ，b = 一1 a 。 用最小二乘法由各级平均值数据回归出上述直线方程12 1 ，常数a 、b 的计算公式 为： 叉= 而n ( 2 9 ) 歹= 乃n ( 2 1 0 ) f = l l 搿= z 卜( e 五) 2 n ( 2 1 1 ) = y 卜( y ，) 2 n ( 2 一1 2 ) l 夥= x i y 。一e y ，n ( 2 1 3 ) b = k k ( 2 1 4 ) 彳：歹一b i( 2 1 5 ) 由于目前常用的数据处理软件可以方便、快捷地将试验数据拟合成标准幂函 数形式，因此：无须将s - n 表达式中n 取对数得相应对数方程后再转化成幂函数形 式。本文采用常用的e x c e l 软件拟合s n 曲线。步骤如下：根据幂函数形式s 口= c 的表达形式。经过变换以循环寿命n 作为函数，可以得到关于s 的函数，即得到： n = c s 。这样，根据原始数据组( s ，n ) 就可以用e x c e l 软件直接拟合成幂函数形 式。但经验表明通过该方式拟合的曲线得到的c 值往往很大，不利于进一步的计算。 同时，工程中有时往往希望根据s - n 曲线方程的表达式直接求得某一循环寿命下的 疲劳强度。因此为了工程应用和计算方便，将式= 岱吨再变换如下：s = 口c ， 此式的拟合过程可以直接利用软件按照上述步骤进行。显然，如果直接以应力s 作 为函数，以循环寿命n 作为自变量，对试验得到的数据组( n ，s ) 按照通常的标准 幂函数表达式进行拟合处理，将得到下式：s = n 口c 。此时只要定义c = c 一，就 可以将式子转化为s = n 口c 的简单形式。 8 n m 女人 填i 学r 论文 城势性雌删，矗法 22 铝铝镁合金层合板疲劳性能 2 21 试验设备 本文所有疲劳试验部分均在室内疲劳试验机上进行，试验设备采用t t s 8 1 0 疲 劳试验系统，如图2 3 所示： 图2 - 3m t s 8 1 0 疲劳试验设备 f i 9 2 3 m t s 8 1 0f a t i g u e t e s t r m u i p m e n t 试样为铝，铝镁台金层台板，上层为1 0 6 0 号纯铝材料：下层为5 0 5 2 号铝镁台 盒材料，两层金属界面贴台良好，界面结合率1 0 0 ，如图2 - 4 所示。 北京变通人学坝i + 学位论文疲劳件能研究方法 幽24 铝铝镁台金层合板儿何模型 f i g2 4 g e o m e t r i c m o d e lo f l a m i n a t e d p l a t e 酬25 铝$ q 镁合金层台板实体模型 f i g2 - 5s o l i d m o d e lo f l a m i n a t e dp l a t e 北京交通人学硕十学位论义疲劳性能研究方法 2 2 2 试验加载条件 加载方式：轴向拉一压( 应力比r = - i ) 、轴向压缩( o 一压) 、轴向拉伸( 0 - 拉) ， 应力级别：4 8 1 8 m p a 、7 2 2 7 m p a 、8 4 3 2 m p a 和9 6 3 6 m p a ， 加载频率：8 h z ， 试验温度及环境：室内温度2 0 3 0 。c 、干燥、无腐蚀性气体， 试验时要求系统具有良好的同轴度，试样受力对称，要求静态平均值和动态 幅值的最大允许误差不超过1 和3 。 2 2 3 实验数据整理 轴向拉一压循环状态下疲劳试验结果： 表2 - 1 拉压循环实验结果 应力水平。 疲劳寿命n ( 次)对数寿命 1 2 2 3 4 1 96 0 8 7 5 7 5 1 2 0 9 7 2 16 0 8 2 6 8 5 4 8 1 8 m a 1 4 3 5 0 0 06 1 5 6 8 5 2 5 5 8 0 0 0 ( 舍)5 7 4 6 6 3 4 6 8 3 3 l 4 8 3 4 6 18 9 8 4 2 l4 9 9 3 0 8 8 7 2 2 7 m p a 1 0 5 3 1 85 0 2 2 5 0 3 1 1 1 4 2 25 0 4 6 9 7 l 4 9 6 0 24 6 9 5 4 9 9 9 6 3 6 m p a3 8 9 0 04 5 8 9 9 4 9 3 9 0 0 04 5 9 1 0 6 4 由于在拉一压4 t 载荷作用时，5 5 8 0 0 0 万次试样存在界面缺陷，较早出现了界 面剥离现象，因此拟合过程中将其舍去。拉一压循环状态下层合板的s - n 曲线： 北京交通人学硕士学位论文疲劳性能研究方法 图2 - 6l b 1 时的s - n 曲线 f i g 2 - 6s - n c u r v eu n d e rt h es t a t eo fr = - 1 轴向o 一拉循环状态下疲劳实验结果： 表2 - 20 拉循环实验结果 t a b 2 2 t h er e s u l to ft e n s i o nt e s t i n g 应力水平o疲劳寿命n ( 次)对数寿命 1 4 3 5 9 7 76 1 5 7 1 4 7 4 8 1 8 m p a 2 0 0 0 0 0 0 ( 无裂纹) 6 3 0 1 0 3 0 2 0 0 0 0 0 0 ( 无裂纹) 6 3 0 1 0 3 0 1 5 7 0 9 7 56 1 9 6 1 6 9 1 1 8 1 2 1 3 6 0 7 2 3 2 8 7 2 2 7 n 口a 1 6 4 0 0 0 06 2 1 4 8 ：4 4 1 8 7 0 0 0 06 2 7 1 8 4 2 1 0 3 1 0 0 06 0 1 3 2 5 9 8 4 3 2 m 口a1 2 4 1 3 5 46 0 9 3 8 9 6 1 1 8 6 0 0 0 6 0 7 4 0 8 5 3 7 5 6 4 9 5 5 7 4 7 8 2 9 6 3 6 m 口a 3 7 1 6 2 35 5 7 0 1 0 3 4 6 5 0 8 05 6 6 7 5 2 8 由于轴向0 拉循环状态下4 吨载荷( 对应应力水平4 8 1 8 m p a ) 作用下多次出 现超出实验设备设定寿命门槛值( 2 0 0 万次) 而未出现裂纹的现象，因此，为确定 材料的o 拉循环作用下的疲劳曲线，增加了应力水平为8 4 3 2 m p a 的疲劳实验载荷 工况，其s - n 曲线如下所示： 1 2 北京交通人学硕十学位论文疲劳性能研究方法 图2 7r = 0 状态下的s - n 曲线 f i g 2 - 7s - nc u r v eu n d e rt h es t a t eo fr = 0 轴向o 一压循环状态下材料疲劳寿命结果： 表2 30 压循环实验结果 t a b 2 3t h er e s u l to fc o m p r e s s i o nt e s t i n g 疲劳寿命 应力水平。对数寿命 n ( 次) 4 8 1 8 m 【p a2 0 0 0 0 0 0 ( 无裂纹)6 3 0 1 0 3 0 7 2 2 7 m p a1 9 9 0 0 0 06 。2 9 8 8 5 3 1 3 0 0 0 0 0 6 1 1 3 9 4 3 9 6 3 6 m e a 2 0 0 0 0 0 0 ( 无裂纹) 6 3 0 1 0 3 0 2 0 0 0 0 0 0 ( 无裂纹) 6 3 0 1 0 3 0 轴向0 压循环实验目的在于确定纯铝层是否存在界面失稳破坏趋势，通过实 验结果表明，该层合板界面粘合良好，不易出现纯铝层失稳现象，o 压循环状态下 材料寿命较长。 最大应力及应力幅表征的s - n 曲线如图2 8 ，2 - 9 所示： 1 3 北京交通大学硕上学位论文 疲劳性能研究方法 s - n 曲线 l u u 4-j 笑 9 0 、 、， ：8 0 v、l 生 、。、 - _八 i r = - i lr7 0 、 l 鲫：d 翻 ；= 1 0 9 47n 一8 8 k 嚼6 0 、 一 、 t 一0 18 7 一 、 5 0 o = d 0 ，j h 。 t u 1 0 e + 0 41 0 e + 0 51 0 e + 0 61 0 e + 0 7 循环次数n ( 周) 图2 - 8 最大应力盯。表征的s - n 曲线 f i g 2 8s - nc u r v eo f x 图2 - 9 应力幅吒表征的s - n 曲线 f i g 2 - 9s - n c u r v co f 吒 2 0 0 万次循环作用下的g o o d m a n 图： g o o d m a n 图( 或简称m g d ) 表示各平均应力级下动应力循环所允许的最大应力 值的有效方法。图中水平尺度表示每一循环的最小应力；垂向尺度表示最大应力( 拉 伸应力) ，通过原点的垂直线表示o 拉循环，即图中标为r = 0 的线( r 为应力比) 。 该线右方为拉拉循环，左侧是拉压循环。其中应力比r _ + 1 线表示静载状态，r = 1 线表示对称循环状态。 1 4 北京交通大学硕十学位论文疲劳性能研究方法 将实验所得拉压，o 拉循环状态下的洲曲线拓展到2 0 0 万次，可以得出2 0 0 万次循环下拉压循环应力为4 3 6 3 m p a ，0 一拉循环状态下应力为7 1 6 7 m p a ，2 0 0 万 次作用下的g o o d m a n 图如图2 1 0 所示【1 3 】： r = 1 孑1 7 1 6 7 图2 1 02 0 0 万次循环作用下g o o d m a n 图 f i g 2 - 1 0g o o d m a nf i g u r eu n d e rc y c l eo f 2 ，0 0 0 ，0 0 0 通过实验数据的处理可以得出材料相关参数如下： 修正g o o d m a n 图曲线对于y 轴的截距：b = 7 1 6 7 m p a ， s - n 曲线斜率的绝对值为：k = 0 1 8 7 ， 修正g o o d m a n 图曲线斜率为：m = 0 6 4 3 。 2 3 铝铝镁合金疲劳特性 据中国材料工程大典第四卷有色金属材料分卷查得【1 4 】：在5 1 0 8 次交变循 环应力作用下，1 0 6 0 号纯铝条件疲劳极限为2 1 m p a ，屈服强度2 8 m p a ，抗拉强度 6 9 m p a ；5 0 5 2 号铝镁合金条件疲劳极限为11 5 m p a ，屈服强度1 9 5 m p a ，抗拉强度 2 3 0 m p a 。通过疲劳实验过程观测，层合板在名义应力4 8 1 8 m p a ，7 2 2 7 m p a ， 8 4 3 2 m p a 和9 6 3 6 m p a 作用下纯铝层均未出现类似颈缩现象。同时通过疲劳实验 结果表明层合板疲劳断裂表现出一定的规律性：裂纹起源于纯铝层，其后在界面 有轻微的剥离区域，最后导致镁合金断裂。分析原因如下： 1 5 | 匕京变通 掌磁l 岸位论!往劳性能研究女往 l 静强度方面：纯铝屈服后随载荷递增铝镁合金层承载比重也随之增大，致 使在实验载荷工况作用下，纯铝层远离了其抗拉强度，未出现类似颈缩现象。 2 疲劳强度方面：循环应力作用下，由于两层金属条件疲劳极限差距性，致 使纯铝层疲劳寿命低于铝镁合金层，纯铝层先出现裂纹。 3 纯铝层出现塑性变形及两层材料力学性能的差距性使得层台板存在变形不 协调趋势致使界面存在开裂趋势。 24 铝铝镁台金层合板断裂图 拉- 压4 t ( 1 2 2 3 4 1 9 次怅态下试样断裂图 图2 - l l 四吨拉一压循环断裂圈 f 谊2 - 1 lp i c m t e o f f r a c t u r e f a i l u r c m d 盯4 t ( r 1 ) 从断裂图可以看出材料在承受4 t 拉压循环载荷作用下，材料纯铝层断裂，并 且伴随界面剥离现象。 拉- 压8 t 试样断裂图( 3 8 9 0 0 次) ： j 匕京空涵 顿 ：学镕j 幽2 一1 2 八吨拉一乐循环断裂蚓 f i 9 2 1 2p i c t u r e o f f r a c t u r e f a i l u r e u n d e r8 t ( r ；1 ) 8 t 拉压循环作用下层合板纯铝面出现严重的塑性变形并导致纯铝层裂纹起源 致断裂，最后铝镁台金也随之断裂，在此过程中伴箍一段界面剥离区。 压8 t ( 2 0 0 万次) 循环实验前及实验后图： 图2 1 30 - 坫八吨循环前酗2 1 4 八吨o 压循环断裂图 f i g2 - l3p i c m t * b e 岛r e l o a d i n g f i 9 2 - 1 3p i e t u n ea f t e rc o m p r e * s i o n 0 一压8 t 循环作用下层合板纯铝层出现塑性变形和试验前相比结合界面明显 容易从肉眼分辨出铝铝镁台金分界面。但通过实验结果知2 0 0 万次循环作用下， 试样多次出现无裂纹现象，因此认为材料0 一压循环作用下疲劳寿命超出2 0 0 万次 纯铝层不易出现失稳破坏现象。 北京交通大学硕上学位论文疲劳性能研究方法 2 5 小结 本章首先介绍了s - n 曲线的试验方法，包括试验准备：试验设备、加载条件、 载荷水平。此后，利用2 2 节介绍的数据处理方法得出铝铝镁合金层合板s - n 曲 线方程及在2 1 0 6 次的作用下的g o o d m a n 图，最后列出几幅具有代表性的试样断裂 图。通过实验结果可以看出纯铝层易出现塑性变形，经过一定循环次数后纯铝层 先疲劳破坏。不同于简单单一金属材料的疲劳现象，层合板疲劳特性具有自身特 点：纯铝层屈服后，随外载荷增加载荷将主要由未出现塑性变形的铝镁合金层承 载，使得在上述实验载荷工况作用下纯铝层未达到其抗拉强度值，未表现出类似 颈缩现象，铝镁合金发挥了提高车体强度的作用。但是，由于两类材料疲劳强度 相差较大，因此不能简单判断疲劳破坏的先后顺序。本文下一章将主要通过铝铝 镁合金层合板受力过程的数值模拟，模拟纯铝层塑性变形后层合板应力分布情况， 为层合板疲劳损伤现象及规律提供理论基础。 1 8 北京交通人学硕士学位论文铝铝镁合金层合板自限元弹塑性模拟 3 铝铝镁合金层合板有限元弹塑性模拟 有限元分析是利用数值逼近的方法对真实物理系统( 几何和载荷工况) 进行 模拟。有限元通过“化整为零，积零为整”的思路将机械结构承受外载荷时应力 应变状态通过图示、数值的方式显现，而无需对此类结构零部件进行试验测定。 在本章分析分析过程中，由于铝铝镁合金层合板中纯铝材料强度较低，其屈服强 度为c r o ，= 2 8 m p a ，抗拉强度o r b = 6 9 m p a ，而铝镁合金仅材料屈服强度就高达 1 9 0 m p a ，因此若对该层合板继续沿用线弹性理论而忽视纯铝层屈服特性，会得出 纯铝面出现应力远高于6 9 m p a 的错误结论，显然这种分析方式不合理。为此必须 借助于有限元弹塑性模拟结论合理解释力的分配现象。通过模拟结果可以看出， 以7 t 载荷作用应力分布情况为例：该载荷工况作用下，铝镁合金层应力达1 0 5 m p a ， 纯铝层应力为4 1 m p a ，因此，静强度方面：尽管纯铝材料进入了塑性阶段但是却 远离了材料抗拉强度；疲劳断裂方面：通过结合各层金属自身疲劳特性参数，可 以看出应力较低的纯铝层比铝镁合金层寿命短，更容易出现疲劳裂纹。 3 1 有限元理论及分析步骤 3 1 1 有限元理论 有限元是随着计算机技术的兴起和应用发展起来的。有限元数值模拟既能直 观地描述加载过程的变形流动状态，又能定量计算各种结构的应力、应变状态， 为制定、优化以及开发新工艺、分析产品质量问题、缩短生产周期、提高经济效 益提供了科学的依据。有限元理论分析的第一步必须将需要分析的物体划分网格， 这些网格称作为单元，网格间相互联接的交点称为节点，网格与网格的交界线称 为边界。显然，所划分网格中的节点数是有限的，单元数目也是有限的，所以称 为“有限单元 ，这就是“有限元 一词的由来【1 5 】。有限元法是根据变分原理求解 数学物理问题的数值计算方法，是工程方法和数学方法相结合的产物，可以求解 许多过去解析法无法求解的问题。对于边界条件和结构形状都很不规则的复杂机 械结构，是一种非常有效的现代分析方法。 有限元分析的关键在于结构离散和分片插值。结构离散，就是要把一个本来 是连续的弹性体划分为有限单元，把一个具有无限多自由度的结构离散为有限自 由度的系统。对每个单元给出满足连续条件的假定位移模式，各个单元在相互连 1 9 北京交通大学硕j ：学位论文铝铝镁合金层合板有限元弹塑性模拟 接的节点处有跨单元的连续性。然后再从能量原理出发建立起整体控制方程，求 解这一线性代数方程组就可以得到结构的位移场以及应力场等。 本文有限元分析部分借助于a n s y s 软件，该软件是由美国a n s y s 公司研发 的。a n s y s 可以用于结构分析、热分析、电磁分析、流体分析。结构分析用于确 定结构的变形、应变、应力及反作用力，它可以用来进行静力分析中的结构的线 性及非线性行为，如大变形、大应变、应力刚化、接触、超弹