细节结构的疲劳分析

细节结构的疲劳分析

描述材料疲劳性能最基本、最常用的方法是s-n曲线。常见的S-N曲线可用指数函数、幂函数和三参数幂函数表示。基于标准S-N曲线,使用细节疲劳额定值(DFR)对结构进行疲劳分析和疲劳品质评估简单易行,使用可靠。DFR是一种对结构件质量和耐重复载荷能力的度量,其意义是在95%置信度和95%可靠度要求下,当应力比R=0.06时,构件能够承受105次循环载荷的最大应力。由于DFR是结构本身固有的疲劳性能特征值,与使用载荷无关,目前已在飞机结构抗疲劳耐久性设计上得到了广泛使用。本文在介绍细节疲劳额定值的基础上,重点讨论了DFR的试验方法,并推导了疲劳损伤的折算,通过铝合金螺接件试验验证了所提出的试验方法和疲劳损伤的折算公式。1疲劳寿命和细节疲劳额定值的关系标准S-N曲线表示在常幅载荷作用下,结构细节处的应力水平、寿命和细节疲劳额定值之间的关系曲线。标准S-N曲线适用于特征寿命在104～106循环数之间的常幅载荷,当循环数低于5000或最大应力超过50%极限拉伸强度时,则标准曲线无效。1.1u3000gs-ls-mssa为知识产权法(1)结构的疲劳寿命服从双参数威布尔分布,其分布函数为F(N)=1-exp[-(Νβ)α,其中:N为疲劳寿命;α为材料常数,可看作已知参数,对应铝合金α为4.0;β为特征寿命。(2)平均应力Sm为常数时,103～106寿命区间的lgSa～lgN之间的关系(Sa为应用幅值)为直线(见图1),其斜率为Bm(材料常数),斜率参量为Κ‚Κ=10-1Bm,对应铝合金K=2.0,Bm=-3.32。(3)在103～105寿命区间内,对应95%可靠度(存活率)和95%置信度的等寿命曲线为直线(见图2),且与横坐标轴(Sm轴)交与同一点Sm0,Sm0为材料常数。对应铝合金Sm0=310MPa;(4)疲劳损伤的累积服从Miner线性累积损伤原则。1.2平均应力幅值的计算根据基本假设,可写出103～105区间的标准S-N曲线方程为lgΝ=A+BlgSa.(1)应力比R=0.06的直线和N=105的等寿命线的交点的平均应力Sm=0.53DFR,应力幅值Sa=0.47DFR。将N=105、曲线斜率B=Bm及Sa=0.47DFR代入(1)式,得到lg105=A+Blg(0.47DFR).(2)对(2)式作简单运算,即可得A=lg105-Bmlg(0.47DFR)=lg105(0.47DFR)Bm,(3)代回(1)式可得lgΝ=lg105(0.47DFR)Bm+lgSBmaD.(4)式(4)中,SaD为平均应力Sm=0.53DFR的S-N曲线上的应力幅值。对于任何一条等寿命线有SaDSa=Sm0-0.53DFRSm0-Sm,(5)由式(4)和式(5)可得lgΝ=lg105(0.47DFR)Bm+lg(Sm0-0.53DFRSm0-SmSa)Bm.(6)因此,得到细节疲劳额定值DFR与标准S-N曲线的量的关系式:Ν=105[Sm0-0.53DFR0.47(Sm0-Sm)DFRSa〗Bm,(7)式(7)中,Sm为平均应力,Sa为应力幅值,Sm0为材料常数,Bm为在103～106寿命区间的lgSa～lgN关系曲线的直线斜率。2标识谱的确定试验为了建立结构细节裂纹尺寸和形成此裂纹尺寸的寿命关系,需要在确定结构细节特征应力的试验中加入标识谱。实际试验载荷谱分为两级谱,一级为正式试验载荷谱,另一级为标识谱。为了获得清晰可见标识载荷谱疲劳条纹,通过试验摸索,确定合适的标识谱(标识载荷谱即是在结构疲劳载荷谱的基础上所加的能够在断口上形成可判读条带的载荷段)。标识谱的确定试验所用试验装置为INSTRON8802液压伺服试验机(如图3示)。试验得到的含标识谱疲劳条纹如图4。根据试验探索,我们建议在随机载荷谱中,标识载荷谱的最大应力不要超过随机谱的最大应力,且应安排在结构载荷谱的高应力区。本试验所选取的是等幅谱,因此,所加标识载荷谱的最大应力水平应等于等幅谱的最大应力,标识载荷谱的应力幅值应小于或等于载荷谱应力幅值的一半,加载的标识载荷谱时间应为最高应力幅持续时间的2～3倍。3疲劳损失的评估3.1疲劳寿命的计算依据DFR的定义与假设,标准S-N曲线方程可以标识为Ν=10(5-lgΖlgS)=105ΖBm,(8)其中Ζ=(1-R)(Sm0-0.53DFR)SmaxDFR[0.94Sm0-0.47(1+R)Smax]‚(9)Bm为材料常数。由式(8)可以算出不同应力比R和最大应力Smax下的疲劳寿命N的值。标识谱和载荷谱的最大应力Smax相同,并且Sm0、Bm及DFR相同,均为结构本身的疲劳性能特征值,与使用载荷无关。设试件在标识谱和载荷谱下的疲劳寿命分别为NB和NZ,则:nz=nBΝΖΝB=nB(ΖΖΖB)Bm=nB(1-RΖ)[0.94Sm0-0.47(1+RB)Smax](1-RB[0.94Sm0-0.47(1+RΖ)Smax])Bm=nB((1-RΖ)[2Sm0-(1+RB)Smax](1-RB)[2Sm0-(1+RΖ)Smax]),(10)其中nB为标识谱的循环数,nZ为等价的载荷谱的循环数。对于铝合金材料,Sm0=310MPa,Bm=-3.32。3.2载荷谱周期组合某开孔铝合金试件试验的原始数据:正弦波加载,最大应力130MPa,每循环载荷谱加载时间6min,加载频率为4Hz;标识谱加载时间15min,标识谱加载频率为8Hz;载荷谱应力比0.06;标识谱应力比0.53;未折算的疲劳寿命为251717cycles。折算过程如下:第一步计算标识谱作用时间对应的等价载荷谱的循环数nZ。将原始数据代入(10)式计算得到nZ=1130.4cycles;第二步计算加载的周期数nseq。nseq=251717/(6min×4Hz×60s+15min×8Hz×60s)=29.1339seq;第三步确定终止寿命所处的谱型。首先确定可用载荷谱循环数除以单个周期总的循环数得到单个周期里的载荷谱与标识谱的分界点ndepart,ndepart=(6min×4Hz×60s)/8640=0.1667,再根据29.1339-29=0.1339>0.1167,可判断终值寿命处在载荷谱阶段;第四步确定等价的终值寿命Nequa,Nequa=(1440+1330.4)×29+[251717-(8640×29)]=81498.cycles。4疲劳额定值与标准s-n曲线的关系本文介绍使用细节疲劳额定值对结构进行疲劳分析和疲劳品