倪陽(yáng) 周儲(chǔ)偉

摘 要：采用連續(xù)力學(xué)方法結(jié)合有限元模擬研究了含劃痕缺陷TB6鈦合金板的疲勞壽命。首先建立帶缺陷的TB6試驗(yàn)件有限元模型，隨后施加疲勞載荷，最后根據(jù)Chaboche疲勞損傷模型計(jì)算試驗(yàn)件的疲勞壽命。

關(guān)鍵詞：疲勞壽命；劃痕；有限元模擬；損傷力學(xué)

中圖分類號(hào)：V215.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）02-0111-03

Abstract： The fatigue life of TB6 titanium alloy plate with scratch defect was studied by means of continuous mechanics method combined with finite element simulation. Firstly， the finite element model of the TB6 specimen with defects is established， and then the fatigue load is applied. Finally， the fatigue life of the specimen is calculated according to the Chaboche fatigue damage model.

Keywords： fatigue life； scratch； finite element simulation； damage mechanics

引言

直升機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)、使用過(guò)程中難免會(huì)受到外物的磕碰，造成一些微小缺陷（凹坑、劃痕），這些小缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度影響可以忽略，但是對(duì)于承受交變載荷的動(dòng)部件來(lái)說(shuō)，缺陷會(huì)大大減少其疲勞壽命。傳統(tǒng)的安全壽命法評(píng)估壽命時(shí)缺少對(duì)實(shí)際存在缺陷的針對(duì)性分析[1]，基于具體缺陷的疲勞壽命分析是發(fā)展更合理的疲勞壽命評(píng)估方法的前提。

劃痕是實(shí)際工程中常見(jiàn)的一類缺陷，由于劃痕局部的應(yīng)力集中，使得構(gòu)件的壽命大大減少。損傷力學(xué)通過(guò)引入損傷變量來(lái)研究材料在載荷作用下的損傷演化過(guò)程，具有比較完備的物理、力學(xué)體系，損傷變量通常具有相對(duì)明確的物理意義，逐漸成為預(yù)測(cè)構(gòu)件疲勞壽命的有效方法之一。

本文以連續(xù)損傷力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合有限元分析對(duì)含劃痕缺陷的TB6鈦合金試樣高周疲勞壽命進(jìn)行了分析。

1 理論模型

Chaboche和Lesen[2]提出一個(gè)非線性單軸應(yīng)力疲勞損傷模型：

2 含劃痕缺陷鈦合金的疲勞壽命預(yù)估

2.1 含劃痕缺陷TB6試件疲勞加載有限元模擬

利用ABAQUS軟件建立TB6鈦合金板狀試驗(yàn)件的有限元模型，如圖1所示。劃痕缺陷位于試驗(yàn)件中部，劃痕尺寸為底部半徑r=0.2mm，深度d=0.2mm。在劃痕附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，模型共有單元數(shù)50000個(gè)，單元類型為8節(jié)點(diǎn)減縮積分實(shí)體單元（C3D8R）。鈦合金板為彈性材料，材料參數(shù)由拉伸試驗(yàn)獲得，見(jiàn)表1。

對(duì)有限元模型施加兩組應(yīng)力比R=-1的疲勞載荷，名義應(yīng)力幅分別為300Mpa和350Mpa。名義應(yīng)力幅為300MPa時(shí)最大、最小應(yīng)力下的應(yīng)力分布如圖2所示，名義應(yīng)力幅為350MPa時(shí)最大、最小應(yīng)力下的應(yīng)力分布如圖3所示。從圖中可以看出最大應(yīng)力均出現(xiàn)在劃痕底部。

2.2 疲勞壽命預(yù)測(cè)

選擇劃痕底部任一點(diǎn)（沿劃痕方向應(yīng)力基本相同）作為危險(xiǎn)點(diǎn)，提取單軸疲勞損傷模型中所需的相關(guān)應(yīng)力數(shù)據(jù)，疲勞損傷模型中的材料參數(shù)參考詹志新等人的相關(guān)工作[4]，參數(shù)取值見(jiàn)表2。將該點(diǎn)的相關(guān)應(yīng)力數(shù)據(jù)及材料參數(shù)代入式（4），分別計(jì)算出試樣在最大名義應(yīng)力幅為300MPa和350MPa疲勞載荷下的壽命值，列于表3。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于連續(xù)損傷力學(xué)理論，對(duì)含劃痕缺陷TB6鈦合金的疲勞壽命進(jìn)行了評(píng)估。利用有限元模擬獲得缺陷局部的應(yīng)力狀態(tài)，考慮了應(yīng)力集中效應(yīng)對(duì)疲勞壽命的影響，提供了一種損傷力學(xué)理論結(jié)合有限元模擬預(yù)測(cè)含缺陷金屬材料疲勞壽命的方法。

研究發(fā)現(xiàn)劃痕缺陷的疲勞斷裂危險(xiǎn)點(diǎn)在劃痕底部，該處的應(yīng)力集中效應(yīng)最明顯，疲勞加載過(guò)程中承受的應(yīng)力幅最大。

參考文獻(xiàn)：

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