结构细节疲劳额定值DFR及其试验方法的研究

该文介绍了使用细节疲劳额定值（DFR）对结构进行疲劳分析和对疲劳品质进行评估的基本原理,讨论了细节疲劳额定值与标准S-N曲线的关系。通过试验探索,给出了有关细节疲劳额定值试验方法的一些实用建议,并推导了疲劳损伤的折算公式,通过铝合金螺接试件试验验证了所提出的试验方法和疲劳损伤的折算公式。

DFR腐蚀影响系数及其试验测定

为使腐蚀环境下民机结构疲劳分析的细节疲劳额定值(DFR)方法具有更广泛适用性,对DFR腐蚀影响系数与腐蚀环境的关系进行了研究,将DFR的腐蚀影响系数分解为地面停放腐蚀影响系数和空中腐蚀疲劳影响系数,建立了地面停放腐蚀影响系数与地面停放腐蚀时间的关系,以及空中复杂综合环境腐蚀疲劳影响系数与单一介质环境腐蚀影响系数的关系.通过试验测定了各种典型情况的DFR腐蚀影响系数,试验结果说明DFR腐蚀影响系数随着地面停放腐蚀时间的增加和环境腐蚀性的增强而降低,腐蚀疲劳的影响较停放腐蚀的影响更严重.分析实例具体说明了腐蚀条件下DFR方法的具体步骤和所需数据,并体现出疲劳分析中计及腐蚀影响的必要性.

机身典型连接接头DFR值分析方法研究

提出通过静力试验或者有限元模型计算,确定连接接头的危险钉孔位置,修正应力集中系数Kt等对结构细节疲劳额定值(detail fatigue rating,DFR)的影响后,进而确定结构的DFR值的方法。使用该方法对机身上某连接接头进行疲劳寿命分析,给出详细的分析过程与结果,并通过DFR值试验验证该方法的可行性和合理性。

引入三参数S-N曲线的DFR法

将三参数S-N曲线引入传统的细节疲劳额定值DFR(Detail fatigue rating,DFR)法,使之适合于中长寿命区结构的疲劳可靠性分析。文中推导了常幅和多级载荷下结构疲劳可靠寿命的计算公式,给出了由试验数据确定结构DFR值和相关参数的方法。结果表明在中等寿命区,本文提出的方法与原DFR法的计算结果相差不大,并与试验结果符合较好;当长寿命区应力水平造成的疲劳损伤占主要部分时,原DFR法过于保守。

基于DFR法的工程结构振动疲劳寿命评定

以某含铸造缺陷的设备结构为对象,通过样件的基本力学性能及疲劳/裂纹扩展性能测试、模态及动力响应测试、动力响应分析及危险部位载荷谱确定等工作,采用细节疲劳寿命额定值(DFR)方法获取了该批次缺陷件疲劳寿命。研究结果可为工作在振动环境下的工程结构疲劳寿命评定探索出一条合理可行的解决途径。

基于有限元分析的DFR法

以名义应力为参数量的细节疲劳额定值(Detail fatigue rating,DFR)法进行疲劳可靠性分析的关键之一在于获取钉孔附近真实的名义应力,解析法难以分析复杂结构和载荷下的应力分布,不便于工程应用。本文参考了连接件及周边平衡载荷系的等效方法,提出了用于DFR法分析的有限元法名义应力的求解。编制了基于有限元分析的DFR法分析软件FEM-DFR,对MSC.Nastran输入输出文件进行后处理,自动完成DFR法疲劳寿命的相关计算。算例结果表明本文提出的基于有限元分析的DFR法算法合理,编制的FEM-DFR软件通用、有效。

基于不同寿命分布的DFR值换算关系

由于使用要求、载荷情况、结构型式与寿命可靠性要求等方面的显著区别,军机结构细节疲劳额定值(DFR,Detail Fatigue Rating)的定义有别于民机结构,主要体现在寿命分布假设与基本可靠性要求的不同以及基本结构的差异上.通过构件疲劳额定系数修正基本结构细节数的差别,假定采用对数正态分布与威布尔分布估计同一结构的中值寿命得到的估计值相同,从而导出了基于不同寿命分布的DFR值换算关系,给出了换算关系取决于DFR基准值与材料类别的结论.为军机结构耐久性设计提供了一种通过民机相似结构DFR值换算确定军机DFR值的方法,最后通过算例进行了验证.

加强中心孔板的DFR及其试验验证

疲劳分析已经成为现代飞机结构分析的重要组成部分,通过有限元方法对有加强开孔板疲劳分析的重要参数——应力集中系数进行了求解,进而求出开孔部位的细节疲劳额定值(DFR)。将有限元计算结果与试验结果进行对比,发现吻合较好,证明了采用有限元方法求解应力集中系数进行疲劳分析是精确可靠的,可以采用该方法对今后同类型试验件DFR值的确定进行预估分析。

基于DFR法的2524铝合金搅拌摩擦焊疲劳可靠性分析

基于细节疲劳额定值(DFR)法,对2524-T3铝合金搅拌摩擦焊对接接头的疲劳性能进行研究,并采用光学显微镜和扫描电镜分析焊接接头组织形貌和疲劳断口。结果表明,2524-T3铝合金搅拌摩擦焊对接接头具有良好的疲劳性能,其DFR值为180.9 MPa;断口分析表明疲劳源位于焊缝根部,此处存在的弱连接缺陷对搅拌摩擦焊接头疲劳性能有重要影响。

基于DFR法的Al-Li-S4铝锂合金铆接结构疲劳可靠性分析

Al-Li-S4是新一代铝锂合金,常被用作机身材料,而铆接结构在飞机各个重要受力结构中也具有广泛的应用。为了研究Al-Li-S4铝锂合金铆接结构的疲劳性能,通过试验统计得到两种铆接结构的细节疲劳额定值(DFR),并借助扫描电镜观察其疲劳裂纹的萌生和扩展行为。结果表明:Al-Li-S4铝锂合金铆接搭接结构的DFR值为102.24 MPa,铆钉填充锪窝孔连接结构的DFR值为169.41 MPa;Al-Li-S4铝锂合金疲劳断口的分析表征其具有良好的抗疲劳损伤性能。研究结果可为新型民用飞机选材、疲劳设计和寿命评估提供参考。

腐蚀条件下修正当量地空地循环数的DFR方法

通过引入腐蚀影响系数,将民机结构实际使用环境下用当量地空地循环数表示的设计目标寿命折算为疲劳损伤相同的一般环境下当量地空地循环数,从而建立腐蚀条件下疲劳分析的细节疲劳额定值(detail fatigue rating,DFR)方法。对于民机结构,腐蚀影响系数包括地面停放预腐蚀、空中飞行环境预腐蚀和空中腐蚀疲劳影响,引入基于腐蚀电化学理论的折算系数,将空中飞行时间等腐蚀损伤地折算为地面停放时间,从而综合考虑地面停放和空中飞行环境预腐蚀影响。针对典型使用情况下的支线客机,对其疲劳关键部位——机身长桁机加接头部位,采用腐蚀条件下DFR方法进行疲劳分析,验证该方法的可行性和合理性。

基于Gerber模型的DFR法与结构细节效应

在实际工程应用中,基于Goodman模型估算结构细节疲劳额定强度(DFR)的方法偏于保守,不够经济。本工作推导基于Gerber模型的DFR值D(应力比R=0.06)的计算公式,引入细节效应系数以考虑多细节对置信度系数和D估算结果的影响;与已有结果的比较发现:基于Gerber模型的D的估算方法能够较大程度地发挥材料的潜能,降低研发成本。利用构件细节额定值系数法,通过单个细节结构的D估算了含多个细节的结构的D。估算结果与试验结果的比较验证了基于Gerber模型的DFR法的准确性和适用性。

DFR法结构细节疲劳强度分析

论述了细节疲劳强度额定值(DFR)的意义及各个DFR值之间的关系。通过对铝合金7050-T7451试件在3种不同加工状态下的DFR试验研究,试验结果分析表明,单纯地改善孔的表面粗糙度对其疲劳强度没有明显的影响,而挤压强化却明显提高了孔的细节疲劳强度。

DFR疲劳试验数据处理的折算方法

在DFR理论框架内推导得到试验数据折算公式,进而在现行DFR试验数据处理方法的基础上提出了试验数据折算方法,从而解决了现行数据处理方法要求各试件试验中的峰值应力必须为同一应力水平给复杂结构疲劳试验带来的困难和挑战。与复杂结构的试验结果及相关文献的典型结构试验结果的比较表明这一方法是可行的。

机身壁板LBW结构DFR值试验测定及理论计算

飞机机身壁板是疲劳的关键位置,空客公司首先在飞机机身壁板采用激光焊接(LBW)结构代替传统铆接结构.为评价该激光焊接结构的疲劳性能,结合试验测定和统计学理论计算两种方法,对两组新型铝锂合金2060-T3激光焊接焊后热处理(PWHT,即焊后固溶+时效热处理和焊后时效热处理)结构进行疲劳试验、断口分析及细节疲劳额定强度(DFR值)分析,分别计算了试验测定DFR值和理论DFR值.分析结果表明,试验测定焊后固溶+时效热处理激光焊接结构的DFR值为118.0 MPa,焊后时效热处理的DFR值为113. 7 MPa,理论DFR值分别为115. 8 MPa (误差为1. 86%)和112. 2 MPa (误差为1.32%);两组结构均在焊趾处产生裂纹源,裂纹沿板材厚度方向进行扩展,裂纹扩展区均表现为脆性解理河流花样,不同的是前者瞬断区为微孔聚集型断裂,断口存在大量微小韧窝,后者瞬断区为沿晶断裂,断口存在大量晶粒;采用统计学理论计算,可以较好地还原威布尔分布的形状参数,验证了统计学理论分析方法的工程适用性,为机身壁板LBW结构的DFR值测定提供了参考依据.

喷丸对2024铝合金厚板DFR疲劳性能的影响

对2024-T351铝合金厚板表面进行了陶瓷丸喷丸强化处理。采用X射线衍射仪、扫描电镜和显微硬度计等,研究了喷丸强化对铝合金表面残余应力场、表面加工硬化和疲劳性能的影响。结果表明:喷丸强化能提高2024铝合金厚板的疲劳性能;与合金基体相比,喷丸后DFR截止值和DFR基础值均提高,DFR截止值受取样方向影响不大;喷丸后样品表面形成的硬化层厚度约150μm;残余压应力对疲劳小裂纹扩展速率的降低是疲劳寿命延长最主要的原因。

基于Gerber模型的DFR腐蚀折算系数及其试验测定

为了将细节疲劳额定值(DFR)法的适用范围扩展到腐蚀条件下,采用腐蚀折算系数对DFR进行当量折算的方法,建立了基于Gerber模型的DFR法在腐蚀条件下的分析方法,并通过腐蚀折算系数的分解使此法可用于单独研究地面预腐蚀和空中腐蚀疲劳对DFR的影响。通过设置九组不同时长(0 h、6 h、12 h、24 h、36 h、72 h、108 h、144 h和180 h)的预腐蚀疲劳试验,测定了2024-T3铝合金的地面停放腐蚀折算系数;比较了基于Gerber模型和Goodman模型的DFR法在一般条件和腐蚀条件下的计算结果。结果表明:随着预腐蚀时间的延长,2024-T3铝合金的细节疲劳额定值截止值(DFR cutoff)下降;在九组不同时长下,基于Gerber模型计算的DFR cutoff依次为84.251 MPa、84.722 MPa、79.683 MPa、80.745 MPa、77.026 MPa、74.996 MPa、75.613 MPa、76.186 MPa和73.798 MPa,地面停放腐蚀折算系数为1、1.006、0.946、0.958、0.914、0.890、0.897、0.904、0.876,拟合得到DFR cutoff与预腐蚀时长满足:DFR cutoff=84.521[lg(t+10)]-0.149 8。在未考虑腐蚀影响的条件下N 95/95>10 5时,考虑腐蚀影响的条件下N 1>10 5时,基于Gerber模型计算的DFR均大于基于Goodman模型的计算结果。

不同表面状态2024-T3铝合金腐蚀行为及DFR退化规律

目的研究阳极氧化膜破损的航空铝合金试件在实验室加速腐蚀条件下的腐蚀行为和疲劳性能退化规律,并和阳极氧化膜完好的试件进行对比。方法以不同表面状态的2024-T3铝合金试件为研究对象,进行不同时长的实验室加速腐蚀试验和与加速腐蚀后的DFR试验。通过观察腐蚀形貌,测量腐蚀坑深度和孔蚀率来观测腐蚀行为,通过计算腐蚀后的DFR来研究DFR退化规律。结果阳极氧化膜完好、破损的2024-T3铝合金试件分别在加速腐蚀180、36 h后出现点蚀坑,平均点蚀坑深度与加速腐蚀时间符合幂函数关系。试件在实验室加速腐蚀条件下,DFR的退化规律符合指数函数关系。结论与阳极氧化膜完好试件相比,阳极氧化膜破损会导致2024-T3铝合金试件的耐腐蚀性降低,加速试件疲劳性能退化的速率。

基于DFR法的螺栓连接件疲劳性能研究

针对螺栓连接件在服役过程中易产生疲劳损伤的问题,采用有限元模拟、理论分析和试验测试相结合的方法探究试验件厚度以及螺栓连接间隙对构件疲劳性能的影响规律。有限元模拟结果表明,由于构件几何形状的不连续性以及螺栓连接间隙的存在使得连接件中的铝合金板孔边产生较为明显的应力集中现象,在循环载荷作用下易在该处萌生疲劳裂纹导致构件的损伤失效,而施加螺栓预紧力可以通过摩擦传载改善孔边的受力情况。在静力分析的基础上,采用有传载紧固件双剪接头结构细节疲劳额定值(DFR)理论计算方法估算不同类型试验件的DFR值。理论估算结果与通过双点法确定的试验件DFR值基本吻合,相对差异在10%以内,可以验证该理论方法有较好的工程适用性。分析结果表明,试验件的连接间隙会影响螺栓的受载情况,在拉伸过程中先发生接触的螺栓处有较大的应力集中,最终导致连接件的疲劳失效;当试验件的厚度增加,铝合金板所承受的附加弯矩增大,会影响孔边的应力分布,在一定程度上降低试验件的疲劳性能。试验件厚度和连接间隙对试验件疲劳性能的影响可通过应力集中系数来综合体现,试验件DFR值近似随应力集中系数呈线性降低。本工作的研究成果可为螺栓连接件疲劳性能研究提供参考。

腐蚀条件下基于Gerber模型的DFR推导及实测

为了研究等寿命曲线模型的选取对细节疲劳额定值计算结果的影响,针对六种典型航空材料对比了Gerber模型和Goodman模型对于高周疲劳数据的拟合精度;推导基于Gerber模型的DFR计算公式、腐蚀折算系数CC的表达式;针对2024-T3铝合金(表面阳极化)进行了预腐蚀0 h、6 h、12 h、24 h、36 h和72 h的疲劳实验并分析预腐蚀72 h的疲劳断口。结果表明:Gerber模型适用于LY12CZ等铝合金,并且在N_(95/95)>10~5次时,基于Gerber模型的DFR法才能发挥延性材料的潜能;随着预腐蚀时间增长,2024-T3铝合金DFR值下降,基于Gerber模型计算的DFR分别为84.251 MPa、84.721 MPa、79.683 MPa、80.745 MPa、77.026 MPa和74.996 MPa,腐蚀折算系数CC为1.006、0.946、0.958、0.914、0.890,拟合得到DFR随预腐蚀时长的变化曲线是DFR=84.251[lg(t+10)]^(-0.15578);断口分析发现预腐蚀产生的蚀坑和材料中的夹杂物会加速疲劳裂纹的形成和扩展,导致结构的疲劳性能降低,但与裸材相比,阳极化过的试件的DFR在腐蚀环境中下降趋势减缓。