基于结构初始不连续状态的结构全寿命评定方法

1、基于结构初始不连续状态的结构全寿命评定方法论文导读：目前国内对材料初始不连续状态的研究不多。主要有陈跃良、胡家林等对2024-T3铝合金的IDS进行了研究。而后利用美国空军的专用软件AFGROW。构建了结构全寿命分析的根本框架。关键词：初始不连续状态，铝合金，AFGROW，全寿命1、引言初始不连续状态Initial Discontinuity State，IDS指的是材料或结构中不连续状态如制造加工缺陷、擦伤、小孔、夹杂等的初始尺寸和数量【1】。IDS与当量初始裂纹尺寸EIFS概念相似，并且与造成试件断裂的物理特征紧密联系，有着明确的物理意义。初始不连续状态的引入考虑到了整个疲劳寿命中所有可能

2、的影响因素对结构疲劳寿命的影响。把材料的初始缺陷应用到疲劳寿命估算中去，从而实现了对构件从制造完毕到最终破坏的整个损伤过程全寿命的分析。免费论文。目前国内对材料初始不连续状态的研究不多，主要有陈跃良、胡家林等对2024-T3铝合金的IDS进行了研究，国外主要是加拿大等国家对2024，7075等铝合金IDS做了大量实验分析和的研究。本文首先研究了航空铝合金LY12CZ的疲劳寿命，而后利用美国空军的专用软件AFGROW，分析这批试验件的IDS值及其分布。构建了结构全寿命分析的根本框架，给出了初步算例。2、疲劳试验2.1 试验件和疲劳实验机试件材料为LY12铝合金，化学成分组成为质量分数，%Cu：3

3、.8-4.9，Mg：1.2-1.8，Mn：0.3-0.9，Fe：0.5，Si：0.5，Al：余量。热处理方式为：1加热到4945进行淬火；2保温小时；3放入水中冷却96小时；4检查硬度和抗拉强度是否符合规定的要求，抗拉强度。疲劳试验件：应力集中系数Kt=1.0，试件几何尺寸分见图1，单位为mm，试件厚度为3.3mm。本试验在Material Test System 810电液伺服疲劳试验机上进行，见图2。图1 试件几何尺寸图2 MTS810疲劳试验机2 IDS的计算和数据分析21 试验件IDS的计算原理通过LY12新标准试验件疲劳试验得到真实的试件疲劳寿命，把IDS看作是半圆形的外表裂纹，其半

4、径尺寸为IDS值，然后试取不同的IDS值，以断裂力学为根底，通过AFGROW软件选择适宜的疲劳裂纹扩展速率模型和材料参数对试件的疲劳寿命进行预测，直到预测的裂纹扩展疲劳寿命数据与实验的实际数据接近时误差在规定范围之内时，此时的IDS试取值作为IDS的最终值【1】。表一为IDS的计算结果。22 裂纹扩展速率模型 AFGROW有很多裂纹扩展速率模型，由于本文研究的是等幅载荷谱，不用考虑裂纹的闭合效应，应选择NASGO扩展模型。该模型考虑了裂纹扩展过程中的裂纹形状的变化，从而随时改变应力强度因子幅，作为有限体，其应力强度因子是三维问题。NASGO扩展速率模型如式1所示。图3 LY12试验件疲劳实验结

5、果式中：、为实验确定的材料常数，在本文中取=1.5451e-010，=3.284，=0.5，=1。本文的疲劳实验数据是在应力比R=0.06、0.2、0.5时得出的图3是所用的NASGO扩展速率模型在R=0.06、0.2、0.5时的裂纹扩展曲线。图4 NASGO在R=0.06、0.2、0.5 时的裂纹扩展速率曲线2.3 AFGROW裂纹模型图4是AFGROW对试验件横截面建立的中心半圆形模型。IDS看作是中心半圆形的外表裂纹，其半径尺寸为IDS值。如图5图5 IDS等效的半圆外表裂纹模型2.4 IDS分布规律研究根据陈跃良等在文献【2】中所使用的方法对上表格的数据进行处理，假设IDS尺寸服从正态

6、分布、Gumble第一极值分布，Logistic分布以及三参数Weibull分布，进行比拟。得到4种分布的相关系数。分别为：正态分布= 0.9784，Gumble第一极值分布=0.9688， Logistic分布表一 IDS计算结果 应力比 IDS值 0.06 0.151;0.163;0.163;0.157; 0.172;0.122;0.175;0.199; 0.171;0.152;0.148;0.140; 0.127;0.182;0.157;0.081; 0.104;0.111;0.150;0.113; 0.165;0.092 0.2 0.136;0.122;0.137;0.106; 0.1

7、21;0.161;0.166;0.128; 0.157;0.144;0.150;0.140; 0.165;0.143;0.140;0.140; 0.160;0.117;0.155;0.126; 0.138;0.183;0.129; 0.5 0.107;0.117;0.082;0.072; 0.105;0.117;0.098;0.115; 0.113;0.081;0.072;0.088; 0.084;0.094;0.086;0.073; 0.093;0.085;0.108;0.094; =0.9632，三参数Weibull分布=0.9856。可以看出正态分布的相关系数和三参数Weibull分布的

8、相关系数接近，当=34时Weibull分布频率分布函数接近正态分布频率函数【3】。三参数Weibull分布的相关系数值最大，故可以认为LY12 铝合金IDS尺寸服从三参数Weibull分布。三参数Weibull分布的概率密度函数为:为位置参数，为尺寸参数，为形状参数。其中：=0.0180，=0.1214，=3.7200。累积分布函数为：3 基于IDS的结构全寿命分析基于IDS，可以依据断裂力学理论对结构进行全寿命分析。裂纹扩展机理复杂影响因素很多，而恒幅载荷下材料疲劳裂纹扩展速率确实定是结构疲劳裂纹扩展寿命分析的根底。本文采NASGRO公式来表征裂纹扩展速率，见公式41。 疲劳寿命计算过程中以

9、材料的IDS分布作为初始参量，将IDS等效为半圆型的外表裂纹，利用NASGRO公式确定的裂纹扩展速率进行疲劳裂纹扩展分析，进而得到相应的试件疲劳寿命分布。原理如图6所示：图6 基于IDS的全寿命示意图4 算例与分析根据上述所得出的IDS分布,用蒙特卡洛生成了一组20个符合Weibull分布的IDS值。作为这批试验件的IDS值，利用所建立的裂纹扩展速率模型，通过AFGROW软件对LY12铝合金试验件疲劳寿命进行估算。以R=0.02,最大应力为308MPa为例,如图6，预测的寿命值涵盖了实际的实验寿命值，并且预测寿命的均值为74049，实际实验寿命值为64117。图7同时给出了LY12铝合金实验件

10、在R=0.02,最大应力为321.52MPa下IDS尺寸和疲劳寿命之间的关系曲线。免费论文。分析说明，新试验件的预测的疲劳寿命值和实验实际的疲劳寿命值且预测结果平均值比实验结果平均值稍偏大。造成这种误差的可能原因是：一、LY12铝合金试验件数目缺乏够，且只做了实验方案下的三组应力比，得出的IDS分布不够精确。二、在R=0.02,最大应力为321.52MPa下的实验数据不够多，且有较大分散性和随机性。三、生成的一组符合上述Weibull分布的IDS值的个数不够多。图7 IDS与寿命关系曲线5 结论1通过MTS810疲劳实验机得出了在给定实验方案下LY12铝合金新试验件的疲劳寿命。然后以断裂力学为

11、根底，通过AFGROW软件选取适宜的模型和材料参数反推出了这批LY12铝合金新实验件的IDS值。2采用四种分布对IDS数据的分布规律进行了研究，发现较符合三参Weibull分布,并得出了三参Weibull分布的累积分布函数。3提出的基于IDS的结构全寿命分析模型，具有较强的物理根底，算例与试验结果吻合良好，可以用于结构全寿命评估。免费论文。4算例结果说明，试验件的预测疲劳寿命值和试验实际的疲劳寿命值且预测结果平均值比实验结果平均值偏大。要通过更多的疲劳实验数据获取更多的IDS值，才能更为准确的求出IDS分布，从而提高了全寿命模型估算的准确性。参考文献：【1】胡家林，陈跃良,郁大照.2024-T3铝合金初始不连续状态研究.腐蚀科学与防护技术，2007，271：9-11.Hu J L, Chen Y L, Yu D Z. Study on the Initial Discontinuity State of 2024-T3 Aluminium Alloy.Corrosionscience and protection technology,2007,27(1):9-11【2】陈跃良，杨晓华，秦海勤.飞机结构腐蚀损伤分布规律研究，材料科学与工程,2002，203：3