孫曉紅 賈雅靜 張?zhí)扉? 馬立勇 吳宏宇

摘? ?要：文章以高鐵用2224鋁合金板材為研究對(duì)象，通過(guò)ANSYS仿真疲勞試驗(yàn)，得到不同中心孔直徑下的鋁合金的疲勞性能。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，中心孔直徑越大，應(yīng)力集中對(duì)疲勞壽命的影響越明顯，相應(yīng)鋁板的疲勞壽命也越短。

關(guān)鍵詞：中心孔;2224鋁合金;直徑;應(yīng)力集中;疲勞性能

中心孔鋁板材在受拉過(guò)程中，中心孔口區(qū)域應(yīng)力集中，使得鋁板材整體壽命降低。另外，中心孔的直徑不同，對(duì)鋁合金板材整體的疲勞壽命影響程度也不相同[1-3]。

在鋁合金疲勞壽命方面，國(guó)外對(duì)2224鋁合金的研究較早，1981年，Pickens[4]研究發(fā)現(xiàn)在T3510熱處理狀態(tài)下，2224鋁合金在抗拉強(qiáng)度方面比沒(méi)有經(jīng)過(guò)熱處理的鋁合金高;在2224鋁合金疲勞性能方面，1996年，Starke等[5]比較了7XXX系列、2X24系列的高強(qiáng)度鋁合金疲勞性能，研究了2224鋁合金延伸率、密度;2001年，John[6]研究了2224鋁合金型材抗拉強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)其縱向抗拉強(qiáng)度大于490 MPa，延伸率大約16%。

國(guó)內(nèi)方面，1992年國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)將2224鋁合金T3510狀態(tài)下擠壓型材的研制納入“八五”攻關(guān)計(jì)劃[7];趙剛等[8]研究了2224鋁合金T3510拉伸變形對(duì)擠壓型材性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在淬火后，預(yù)拉伸可以消除殘余應(yīng)力并提高材料的屈服強(qiáng)度;徐晨玲等[9]研究了2224鋁合金的加工工藝及其抗拉強(qiáng)度，伸長(zhǎng)率，屈服強(qiáng)度等性能;鄭麗靜等[10]制備亞微米2224鋁合金，制備工藝采用徑角壓（Equal Channel Angular Pressing，ECAP）的金屬加工方法（等通道擠出法），結(jié)合熱處理，測(cè)量了亞微米狀態(tài)的2224鋁合金的伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度;2014年，孫曉紅等[11]研究了2224鋁合金的高周疲勞性能，并分析了其宏觀和微觀斷裂特征，提供了2×24鋁合金力學(xué)疲勞性能研究的科學(xué)依據(jù)。

本文以高鐵用中心孔鋁合金為研究對(duì)象，對(duì)其不同中心孔徑下的疲勞壽命進(jìn)行數(shù)值仿真研究，并給出以孔徑作為自變量的疲勞壽命擬合數(shù)學(xué)模型。

1? ? 數(shù)值實(shí)驗(yàn)及分析

利用有限元分析軟件，建立了6種不同中心孔徑鋁板的有限元模型。使用標(biāo)記代碼1—6將模型導(dǎo)入ANSYS的工作臺(tái)，并在材料的兩端施加70 MPa的拉伸載荷。載荷應(yīng)力比為 R=0.1。求解后，得到了不同中心孔徑的鋁板模型的疲勞壽命和最大靜應(yīng)力。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

將D/W擬合為多項(xiàng)式函數(shù)會(huì)產(chǎn)生各種D/W中心孔直徑材料的疲勞壽命N0。使用擬合模型分析和計(jì)算疲勞壽命N并將其與N0進(jìn)行比較，可以測(cè)試擬合曲線(xiàn)的精度，如表2所示。

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，中心孔的直徑越大，應(yīng)力集中對(duì)疲勞壽命的影響越明顯。相應(yīng)鋁板模型的相應(yīng)疲勞壽命較小，擬合曲線(xiàn)如圖1所示。設(shè)x=D/W，y=lgN ，y與x呈4次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系其關(guān)系表達(dá)式為：

y=26.63x4-40.32x3+15.87x2-3.42x+5.9? （1）

表2數(shù)據(jù)表明，模型5的擬合值與數(shù)據(jù)分析值相差較大，但其他模型的誤差很小，證明式（1）可以擬合，結(jié)果正確。

2? ? 結(jié)語(yǔ)

本文采用高鐵中心孔鋁合金研究了中心孔直徑對(duì)2224鋁合金疲勞壽命的影響。結(jié)果表明，中心孔直徑越大，應(yīng)力集中對(duì)疲勞壽命的影響越明顯，鋁板的疲勞壽命越短。中心孔直徑與材料的疲勞壽命的關(guān)系式為：y=26.63x4-40.32x3+15.87x2-3.42x+5.9。

[參考文獻(xiàn)]

[1]馬立勇，顏景潤(rùn)，張永清，等.基于灰色系統(tǒng)理論的7075鋁合金板材疲勞壽命研究[J].鍛壓技術(shù)，2017（7）：173-176.

[2]馬立勇，張永清，孫曉紅.7075鋁合金疲勞壽命研究及數(shù)值模擬[J].電子測(cè)試，2017（8）：33-34.

[3]楊大煉，劉義倫，李松柏，等.基于非等距BFA-GM（1，1）模型的尾翼疲勞壽命預(yù)測(cè)[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016（8）：63-69.

[4]PICKENS J R.Aluminum power metallurgy technology for high-strength applications[J].Materials Science，1981（6）：1437-1457.

[5]STARKE J R，Staley J T.Application of modern aluminum alloys to aircraft[J].Progress in Aerospace Sciences，1996（3）：131-172.

[6]JOHN L，KULAK M.A new paradigm in the design of aluminum alloys for aerospace applications[J].Materials Science Forum，2000（16）：331-337.

[7]姜澄宇，王俊彪.我國(guó)大型飛機(jī)研制中的關(guān)鍵制造技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2009（1）：28-31.

[8]趙剛，劉春明，黃宏濤.高純硬鋁2224-T3510擠壓型材組織性能的研究[J].有色礦冶，1999（2）：33-37.

[9]許晨玲，張可偉.2224鋁合金擠壓件T3510處理工藝研究[J].輕合金加工技術(shù)，2001（11）：33-35.

[10]鄭立靜，鄧江寧，張焱，等.采用ECAP制備亞微晶鋁合金及其力學(xué)性能[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002（7）：694-696.

[11]孫曉紅.2224鋁合金板材的疲勞性能研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2014.

Effect of pore size variation on fatigue properties of aluminum plate with central hole

Sun Xiaohong1， Jia Yajing2， Zhang Tiankuo3*， Ma Liyong3， Wu Hongyu3

（1.CRRC Qingdao Sifang Co.， Ltd.， Qingdao 266111， China;2. Zhangjiakou Cigarette Factory Co.， Ltd.， Zhangjiakou 075000， China;3.Hebei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract：This paper taking 2224 aluminum alloy sheet for high-speed rail as the research object， the fatigue performance of aluminum alloy under different center hole diameters was obtained by ANSYS simulation fatigue test. According to the data analysis， the larger the diameter of the central hole， the more obvious the influence of stress concentration on the fatigue life， and the fatigue life of the corresponding aluminum plate is reduced.

Key words：center hole; 2224 aluminum alloy; diameter; stress concentration; fatigue performance