典型航空铝合金结构件疲劳性能的尺寸效应实验研究

【类型】学位论文

【作者】卜英格 

【关键词】 尺寸效应 疲劳强度 铝合金 应力梯度

【摘要】随着航空结构尺寸的增加，材料疲劳强度的尺寸效应变得越来越突出，即几何形状相同、承载方式相同的构件，尺寸越大疲劳强度越低。本文选择一种常用航空铝合金2024T351制成两种典型结构件（带孔方板和耳片试样）进行疲劳实验，测得不同尺寸试样在105周次寿命对应的疲劳强度，研究其尺寸效应。结果表明，部分试样的疲劳强度表现出了正常的尺寸效应，此时利用经验公式进行拟合便可得到可供工程应用的疲劳准则模型。而另一部分试样则出现了反尺寸效应，即疲劳强度随着尺寸的增大而升高。本文对其原因进行了初步分析，认为裂纹扩展长度是可能的原因之一。此外，试样断口的显微观测结果表明，各个尺寸试样的疲劳裂纹都起源于应力集中点、加工边缘以及磨损所引入的表面缺陷处。本文在总结考虑了尺寸效应尤其是应力梯度影响的疲劳准则模型的基础上，利用本文实验和文献中的铝合金疲劳实验数据，用多种疲劳强度预测模型对带孔方板和耳片试样地实验结果进行了计算模拟。通过比较这些模型的预测精度发现，对于同一应力集中系数的数据，指数模型、Peterson和Neuber模型能够给出较好的预测结果。而受到数据量和分散性的影响，临界距离等二维拟合的结果偏差都较大。另外，只有指数模型和一维Peterson模型可以描述反尺寸效应。综合实验和模型预测结果，本文建议在实际工程应用中使用耳片连接结构时，需要在孔内加装衬套以避免因磨损而导致疲劳寿命的降低。同时建议在进行大型飞机结构设计时，应该仍然采用正常尺寸效应的修正方式，因为反尺寸效应给出的修正并不保守。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】清华大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】施惠基

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