李 耀，孫漢斌

(航空工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力∕疲勞航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

1 引 言

疲勞特性是飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，采用何種工藝強(qiáng)化方法來改善結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)問題之一。噴丸強(qiáng)化工藝是一種利用高速運(yùn)動(dòng)的彈丸流撞擊靶材，在靶材表層發(fā)生彈塑性變形，在表層產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而提高靶材的抗疲勞特性的方法，廣泛應(yīng)用于航空、航天和汽車領(lǐng)域[1]。國內(nèi)外針對噴丸強(qiáng)化材料疲勞特性影響進(jìn)行了大量的研究工作。Klemenz應(yīng)用有限元法研究了噴丸強(qiáng)化后材料表面的特征[2]；Liu等研究了在不同條件下噴丸強(qiáng)化對Mg-10Gd-3Y合金高周疲勞性能的影響[3]；Dalaei等研究了噴丸強(qiáng)化對珠光體微合金鋼疲勞壽命的影響[4]；柳成才利用有限元軟件研究了噴丸工藝參數(shù)對材料性能改善的影響[5]；杜東興研究了噴丸強(qiáng)化工藝對新型高強(qiáng)度鈦合金疲勞行為的影響規(guī)律[6]；馬銘等研究了噴丸強(qiáng)化對7A09鋁合金疲勞性能的影響[7]；王旭等研究了噴丸成形工藝對2024HDT-T351板材疲勞性能的影響[8]。

為研究噴丸強(qiáng)化對2024-T351鋁合金板材疲勞性能的影響，本文采用了一種單剪硬點(diǎn)多細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)件，開展對比試驗(yàn)。通過對試驗(yàn)壽命進(jìn)行分布擬合對比，選定合適的分布類型。按照細(xì)節(jié)疲勞額定值(DFR)方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，對噴丸強(qiáng)化工藝對2024-T351板材疲勞性能的影響效果進(jìn)行分析，為噴丸強(qiáng)化工藝在航空領(lǐng)域工程應(yīng)用提供依據(jù)。

2 對比試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)件

結(jié)構(gòu)的抗疲勞特性研究主要是通過試驗(yàn)分析方法來完成。為研究噴丸強(qiáng)化工藝對2024-T351板材疲勞性能的影響，本文根據(jù)某型飛機(jī)中央翼下壁板結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及噴丸強(qiáng)化工藝情況，設(shè)計(jì)了一種單剪硬點(diǎn)多細(xì)節(jié)DFR試驗(yàn)件。試驗(yàn)件在考核區(qū)進(jìn)行了開孔，試驗(yàn)件上表面通過高強(qiáng)螺栓與墊板相連，如圖1所示。試驗(yàn)件分組情況見表1，兩組試驗(yàn)件中影響DFR的孔填充系數(shù)A、埋頭深度系數(shù)C、材料疊層系數(shù)D、螺栓夾緊系數(shù)E、凸臺(tái)有效系數(shù)U和構(gòu)件疲勞額定系數(shù)RC幾項(xiàng)參數(shù)均一致，僅合金表面處理系數(shù)B不同。

合理地選擇噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)，能夠顯著提高零部件中的殘余應(yīng)力，有效阻止裂紋的產(chǎn)生和抑制裂紋的擴(kuò)展，延長零件的使用壽命。本文試驗(yàn)中，噴丸強(qiáng)化組SY2-2所采用的試驗(yàn)件噴丸強(qiáng)化工藝需要滿足兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)，分別是噴丸強(qiáng)度為0.15mmA～0.2mmA和覆蓋率為100%。

圖1 試驗(yàn)件示意圖

組號材料取向工藝狀態(tài)數(shù)量基準(zhǔn)組SY2-12024-T351L-T機(jī)加6噴丸強(qiáng)化組SY2-22024-T351L-T機(jī)加+噴丸強(qiáng)化6

2.2 試驗(yàn)過程

在INSTRON/50t疲勞試驗(yàn)機(jī)(如圖2所示)上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)件可以直接利用疲勞試驗(yàn)機(jī)夾頭夾持，夾頭一端固定，一端加載。試驗(yàn)件安裝時(shí)，保證加載軸線與試驗(yàn)件中心重合。疲勞試驗(yàn)前，每組試驗(yàn)件要進(jìn)行靜力應(yīng)變測量，來驗(yàn)證試驗(yàn)載荷施加的線性度、對稱性和重復(fù)性。兩組試驗(yàn)件疲勞試驗(yàn)采用常幅譜進(jìn)行，最大載荷均為128kN，應(yīng)力比為0.06，加載頻率均為5Hz。

圖2 INSTRON/50t疲勞試驗(yàn)機(jī)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

兩組試驗(yàn)件疲勞破壞形式如圖3所示，破壞部位為緊固件孔處開裂。兩組試驗(yàn)件疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖3 試驗(yàn)件破壞形式

圖4 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)果分析

3.1 基于試驗(yàn)結(jié)果的分布擬合

基于試驗(yàn)結(jié)果的DFR值測定首先需要進(jìn)行分布假設(shè)，國內(nèi)外普遍采用的分布為對數(shù)正態(tài)分布和威布爾分布。對數(shù)正態(tài)分布廣泛應(yīng)用于可靠性(概率)設(shè)計(jì)，對于疲勞相關(guān)現(xiàn)象以及其他應(yīng)力-應(yīng)變現(xiàn)象建模都非常有效；威布爾分布是針對故障時(shí)間建模的通用分布，最早應(yīng)用于疲勞相關(guān)現(xiàn)象建模[9]。本文分別采用對數(shù)正態(tài)分布和雙參數(shù)威布爾分布對試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分布擬合。兩種分布95%置信區(qū)間擬合結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

(a)對數(shù)正態(tài)分布 (b)雙參數(shù)威布爾分布圖5 SY2-1試驗(yàn)結(jié)果不同分布擬合

(a)對數(shù)正態(tài)分布 (b)雙參數(shù)威布爾分布圖6 SY2-2試驗(yàn)結(jié)果不同分布擬合

圖5、圖6中，AD值為分布擬合檢驗(yàn)中的AD統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，是繪制點(diǎn)與最佳線性擬合之間的平方差的加權(quán)和。AD值越小，分布擬合結(jié)果越好。P值為相關(guān)系數(shù)，P值大于所選顯著性水平(0.05)表示服從假設(shè)分布，反之則不服從該假設(shè)分布。P值越大，分布擬合結(jié)果越好。通過對比上述兩種分布擬合情況可得：本文中試驗(yàn)件疲勞壽命較好，符合對數(shù)正態(tài)分布。

3.2 基于試驗(yàn)結(jié)果的DFR值計(jì)算

DFR定義為當(dāng)應(yīng)力比R=0.06時(shí)，在95%置信度和95%可靠度要求下，結(jié)構(gòu)能承受105次循環(huán)壽命載荷的最大應(yīng)力。工程上通常采用DFR值來表征結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。DFR值是結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)本身固有的疲勞性能特征值，與使用的載荷無關(guān)[10]。在得到兩組試驗(yàn)件的疲勞試驗(yàn)壽命值后，選定合適的分布類型從而得中值壽命N50。

在得到N50的基礎(chǔ)上，雙95壽命N95/95(95%置信度和95%可靠度下的疲勞壽命)按下式計(jì)算：

(1)

式中，ST為試件系數(shù)，試驗(yàn)中采用等幅譜時(shí)，取ST=1.3；SC為置信系數(shù)，與試驗(yàn)件破壞數(shù)有關(guān)；SR為可靠性系數(shù)，對于鋁合金，取SR=2.1。

式(1)中的置信系數(shù)SC按下式計(jì)算：

SC=(31/a-lgn/a)m1/a

(2)

當(dāng)Sc<1時(shí)，取Sc=1。式中，a為疲勞壽命雙參數(shù)威布爾分布的形狀參數(shù)，對于鋁合金，取a=4；m為相同細(xì)節(jié)數(shù)，本文m=6；n為子樣個(gè)數(shù)，本文n=6；

DFR值按下式計(jì)算：

(3)

式中，σm0為材料常數(shù)，對于鋁合金，取σm0=310MPa；R為疲勞試驗(yàn)應(yīng)力比，取R=0.06；σmax為疲勞試驗(yàn)最大應(yīng)力，本文取σmax=266.7MPa。

式(3)中X按照下式計(jì)算：

X=S(5-lgN95/95)

(4)

式中，S為S-N曲線的斜度參數(shù)，對于鋁合金，取S=2.0。

按照上述計(jì)算過程對疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得到每組的雙95壽命和DFR值，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 基于試驗(yàn)結(jié)果的DFR值計(jì)算結(jié)果

3.3 基準(zhǔn)組DFR值理論計(jì)算

基準(zhǔn)組DFR值理論計(jì)算按照單剪硬點(diǎn)多細(xì)節(jié)DFR計(jì)算，計(jì)算公式如下：

DFR=DFRbase×A×B×C×D×E×U×RC

(5)

式中，DFRbase為具有數(shù)百個(gè)相似細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)件允許使用的最小DFR值的基準(zhǔn)值，本文取DFRbase=121；A為孔填充系數(shù)，取A=0.93；B為表面處理系數(shù)，取B=1.0；C為埋頭深度系數(shù)，取C=1；D為材料疊層厚度系數(shù)，取D=1；E為螺栓夾緊系數(shù)，取E=1.05；U為凸臺(tái)有效系數(shù)，取U=1.208；RC為構(gòu)件疲勞額定系數(shù)，取RC=1.31。經(jīng)計(jì)算，基準(zhǔn)組DFR=186.98MPa。

3.4 對比分析

基準(zhǔn)組基于試驗(yàn)結(jié)果的DFR值為191.7MPa，基準(zhǔn)組DFR理論計(jì)算值為186.98MPa，通過比較可得：基準(zhǔn)組試驗(yàn)DFR與理論值相差不大，表明試驗(yàn)過程及結(jié)果可信；理論值比試驗(yàn)值略小，表明理論求解DFR值偏保守。

噴丸強(qiáng)化組基于試驗(yàn)結(jié)果的DFR值為203.4MPa，較基準(zhǔn)組高，通過對比可得：2024-T351板材采用噴丸強(qiáng)化工藝后，疲勞性能相比基準(zhǔn)組提高6%。在疲勞分析時(shí)，采用噴丸強(qiáng)化工藝后合金表面處理系數(shù)B可以保守取1.06。

4 結(jié) 論

本文通過對基準(zhǔn)組與噴丸強(qiáng)化組試驗(yàn)件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，對疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行兩種分布擬合比較，最終選定對數(shù)正態(tài)分布，然后分別計(jì)算求解，得到基于試驗(yàn)結(jié)果的DFR值。通過試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對比、兩組試驗(yàn)結(jié)果對比，得到以下結(jié)論：

(1)本文中試驗(yàn)件疲勞壽命更符合對數(shù)正態(tài)分布。

(2)基準(zhǔn)組試驗(yàn)DFR與理論值相差不大，試驗(yàn)過程及結(jié)果可信；基準(zhǔn)組DFR理論值比試驗(yàn)值略小，理論計(jì)算偏保守。

(3)2024-T351板材采用噴丸強(qiáng)化工藝后疲勞性能相比基準(zhǔn)組提高6%。