【摘要】：金屬構(gòu)件是航空器薄壁結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵承力件,其主要失效模式是在復(fù)雜變幅載荷及復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下危險(xiǎn)點(diǎn)的疲勞損傷與破壞,通常典型耐久性設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的疲勞裂紋萌生壽命占其總壽命的80%左右。目前,工程上的疲勞壽命估算方法簡單方便,但精度不足,這極大地影響了航空器的飛行可靠性和安全性。因此,迫切需要從本構(gòu)理論出發(fā),研究金屬疲勞損傷累積規(guī)律及可靠性壽命評(píng)估方法。本文基于金屬材料彈塑性力學(xué)及循環(huán)本構(gòu)模型,借助夾雜理論模型,在完善宏細(xì)觀雙尺度彈塑性循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,針對工程中的變幅載荷譜,發(fā)展了可考慮載荷順序效應(yīng)的雙尺度疲勞損傷一致估算方法。本文主要研究內(nèi)容及成果如下:1)宏觀非線性彈塑性循環(huán)本構(gòu)模型。為了提高譜載疲勞壽命預(yù)測精度,揭示不同幅值載荷順序效應(yīng),本文通過分析金屬材料循環(huán)加載變形規(guī)律,基于彈塑性本構(gòu)關(guān)系理論,綜合考慮隨動(dòng)及等向強(qiáng)化耦合作用,采用多項(xiàng)指數(shù)函數(shù)構(gòu)造了非線性混合強(qiáng)化本構(gòu)模。通過非線性函數(shù)建立了混合強(qiáng)化系數(shù)隨等效塑性應(yīng)變變化的描述理論及方程,設(shè)計(jì)完成了2A12-T4鋁合金棒材單軸拉伸-卸載-壓縮試驗(yàn),擬合得到該函數(shù)關(guān)系,與常數(shù)假設(shè)相比更加符合材料的循環(huán)硬化特性。基于邊界協(xié)調(diào)過渡原則,采用與正向拉伸彈塑性本構(gòu)模型一致的構(gòu)造方法,設(shè)計(jì)了隨動(dòng)強(qiáng)化占比較大時(shí)的反向過渡曲線。該本構(gòu)模型可量化表征循環(huán)硬化及載荷順序效應(yīng),反映彈塑性段曲線的非線性,與2A12-T4鋁合金載荷控制及應(yīng)變控制低周疲勞試驗(yàn)循環(huán)變形曲線吻合良好,說明了該模型的合理性和準(zhǔn)確性。2)宏觀彈塑性循環(huán)本構(gòu)模型的數(shù)值計(jì)算方法。鑒于現(xiàn)有有限元軟件本構(gòu)關(guān)系模塊較為簡單,為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜彈塑性本構(gòu)模型及非線性混合比例系數(shù)的數(shù)值計(jì)算,通過編寫UMAT子程序Hardmacro.for完成了材料非線性的定義及雅克比矩陣的更新算法,與ABAQUS主程序結(jié)合實(shí)現(xiàn)了非線性循環(huán)彈塑性應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值求解;為與ABAQUS比較,設(shè)計(jì)了單項(xiàng)指數(shù)函數(shù)強(qiáng)化及固定混合比例系數(shù)的本構(gòu)模型算例,結(jié)果說明了多加載模式下子程序的正確性及魯棒性;試驗(yàn)研究了2A12-T4鋁合金棒材試件在載荷控制和應(yīng)變控制條件下循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變特性,驗(yàn)證了子程序的正確性、多項(xiàng)指數(shù)函數(shù)混合強(qiáng)化本構(gòu)模型及相關(guān)計(jì)算參數(shù)取值的精確性;利用子程序分析給出了2A12-T4鋁合金恒幅加載、不同應(yīng)力比加載及高-低加載次序下宏觀循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化規(guī)律。3)基于雙尺度理論的細(xì)觀非線性彈塑性循環(huán)本構(gòu)模型。針對高周疲勞無塑性難以進(jìn)行損傷驅(qū)動(dòng)及累積問題,借助Eshelby等效夾雜理論引入宏細(xì)觀雙尺度彈塑性耦合分析概念,建立了宏細(xì)觀彈塑性應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系,提出了細(xì)觀隨動(dòng)及等向混合強(qiáng)化循環(huán)非線性彈塑性本構(gòu)模型的構(gòu)造方法。為滿足工程分析的效率要求,細(xì)觀隨動(dòng)及等向強(qiáng)化項(xiàng)均采用單項(xiàng)指數(shù)函數(shù)擬合,混合比例系數(shù)在單個(gè)循環(huán)內(nèi)簡化為常數(shù),并隨循環(huán)數(shù)累加而線性趨零。通過細(xì)觀初始屈服面的弱化設(shè)計(jì),融合混合比例系數(shù)實(shí)現(xiàn)了可計(jì)及R0的細(xì)觀循環(huán)彈塑性應(yīng)力應(yīng)變曲線模擬,為研究高周疲勞材料處于彈性狀態(tài)時(shí)其損傷失效提供了量化表征方法。給出了細(xì)觀初始屈服強(qiáng)度模型參數(shù)的確定方法,形成了考慮載荷順序效應(yīng)的細(xì)觀應(yīng)力應(yīng)變分析模型。4)細(xì)觀彈塑性循環(huán)本構(gòu)模型的數(shù)值計(jì)算方法。針對缺乏自動(dòng)化高周循環(huán)彈塑性曲線分析手段的問題,推導(dǎo)了細(xì)觀循環(huán)彈塑性應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算方程,基于增量法與迭代法理論完成了數(shù)值計(jì)算子程序NonMiHard.for開發(fā),實(shí)現(xiàn)了平面應(yīng)力狀態(tài)下及三維應(yīng)力狀態(tài)下循環(huán)彈塑性細(xì)觀應(yīng)力應(yīng)變的精確、高效分析,算例表明在反映高周疲勞載荷順序效應(yīng)的同時(shí),具有較強(qiáng)的工程適用性。聯(lián)合子程序Hardmacro.for及NonMiHard.for分析給出了2A12-T4鋁合金恒幅加載、不同應(yīng)力比加載、高-低加載及塊譜加載下細(xì)觀循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化規(guī)律。5)譜載荷下疲勞損傷演化及壽命估算模型�？偨Y(jié)分析了損傷變量定義、有效應(yīng)力及應(yīng)變等效等損傷力學(xué)基本理論,基于熱力學(xué)第一、第二定律原理,推導(dǎo)了含損傷介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系,從耗散勢出發(fā)推導(dǎo)得到損傷演化的率形式,使得損傷演化模型滿足熱力學(xué)自洽性,并給出了以損傷為標(biāo)準(zhǔn)的破壞判據(jù)及取值范圍;修正Lemaitre損傷演化方程中塑性應(yīng)變損傷門檻值等不合理項(xiàng),針對高低周交替加載問題,建立了高低周統(tǒng)一形式的損傷演化模型,分別對高低周交替加載產(chǎn)生的宏細(xì)觀塑性損傷進(jìn)行分析及累加,該模型可同時(shí)計(jì)及材料非線性運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化、等向強(qiáng)化、載荷順序效應(yīng)及壓縮載荷效應(yīng),大大提高了疲勞分析精度。通過多應(yīng)力水平下恒幅疲勞壽命誤差最小優(yōu)化算法,給出了模型參數(shù)確定方法。6)非線性彈塑性本構(gòu)模型及譜載疲勞壽命估算方法試驗(yàn)驗(yàn)證。設(shè)計(jì)完成了2A12-T4鋁合金光滑棒材及帶孔板恒幅、高-低加載、塊譜加載疲勞試驗(yàn)及分析;基于有限元方法、雙尺度模型、宏細(xì)觀循環(huán)本構(gòu)模型、高低周統(tǒng)一損傷及壽命估算模型,完成了帶孔板宏細(xì)觀彈塑性應(yīng)力應(yīng)變分析、疲勞損傷累積及壽命預(yù)測。對10~2~10~6范圍棒材及帶孔板恒幅疲勞壽命估算結(jié)果與試驗(yàn)相比,最大誤差23.92%,最小誤差-5.81%,驗(yàn)證了本文所提本構(gòu)關(guān)系模型、疲勞損傷累積及壽命估算模型及相關(guān)計(jì)算參數(shù)取值的正確性。通過與帶孔板高-低順序加載及五級(jí)塊譜加載疲勞試驗(yàn)對比,最大計(jì)算誤差為-34%,證明了本文疲勞損傷累積及壽命估算方法能精確反映載荷順序效應(yīng),對塊譜加載及復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)情況的適用性與可行性,滿足航空工程結(jié)構(gòu)譜載疲勞壽命預(yù)測的需要。
【圖文】：

宏觀彈塑性應(yīng)力應(yīng)變理論與模型 11pM 為未知量，011 、11j 、11r 均為已知量，可由單向拉伸的試驗(yàn)曲線11r 為一一對應(yīng)關(guān)系。式（2-37）就是利用單軸加載的試驗(yàn)曲線來確定混性變形關(guān)系的方程。2A12-T4 鋁合金為研究對象（本文涉及材料均為此合金，恕不再贅述），，（集團(tuán)）有限責(zé)任公司提供，其化學(xué)成分如表 2-1 所示，采用預(yù)拉伸-卸方法，參照《GBT 228-2002 金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》及《GBT 731室溫壓縮試驗(yàn)方法》進(jìn)行，加載速率為 0.15mm/min，從而確定反向屈加載的變化規(guī)律。表 2-1 2A12-T4 鋁合金化學(xué)成分(%)Ni Zn Ti Si Fe Mn Mg Cu 0.01 0.02 0.03 0.08 0.2 0.54 1.55 4.75

表 2-1 2A12-T4 鋁合金化學(xué)成分(%)Ni Zn Ti Si Fe Mn Mg Cu 0.01 0.02 0.03 0.08 0.2 0.54 1.55 4.75 a)試驗(yàn)件尺寸b)試驗(yàn)件實(shí)物圖 2-6 2A12-T4 鋁合金試驗(yàn)件尺寸及實(shí)物照片
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V214

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王鵬利;;功率譜密度法在車橋結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算中的應(yīng)用[J];科技資訊;2017年09期

2 康樂;;兩種常用疲勞壽命估算方法的可靠性對比[J];工程建設(shè)與設(shè)計(jì);2017年14期

3 呂文閣;基于疲勞短裂紋行為的疲勞壽命估算方法[J];機(jī)械工程材料;2001年02期

4 樊新民;疲勞壽命估算中應(yīng)注意的一個(gè)問題[J];力學(xué)與實(shí)踐;1999年04期

5 田萬衡;張永恒;;隨機(jī)應(yīng)力波形處理方法與疲勞壽命估算[J];大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào);1987年03期

6 沈先釗;;用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行機(jī)械零部件的疲勞壽命估算[J];機(jī)械強(qiáng)度;1987年04期

7 劉星榮 ,陳燎;局部應(yīng)力-應(yīng)變分析在拖拉機(jī)零部件疲勞壽命估算中的應(yīng)用[J];江蘇工學(xué)院學(xué)報(bào);1988年01期

8 謝衛(wèi)東,吳富民,肖壽庭;干涉配合連接件應(yīng)力應(yīng)變分析及疲勞壽命估算[J];航空學(xué)報(bào);1988年S1期

9 肖壽庭;疲勞壽命估算與能量準(zhǔn)則[J];航空學(xué)報(bào);1988年S1期

10 劉星榮,陳燎;局部應(yīng)力-應(yīng)變分析法在拖拉機(jī)零部件疲勞壽命估算中的應(yīng)用[J];農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào);1989年01期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 呂文閣;;基于疲勞短裂紋行為的疲勞壽命估算[A];疲勞與斷裂2000——第十屆全國疲勞與斷裂學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2000年

2 王明珠;姚衛(wèi)星;;缺口件振動(dòng)疲勞壽命估算的改進(jìn)三角級(jí)數(shù)法[A];第十四屆全國疲勞與斷裂學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2008年

3 周敏亮;陳忠明;;隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下飛機(jī)雷達(dá)罩的疲勞壽命估算與分析[A];中國航空結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)專業(yè)組第十六屆學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2008年

4 李玉春;姚衛(wèi)星;;復(fù)雜載荷下的應(yīng)力場強(qiáng)法疲勞壽命估算[A];疲勞與斷裂2000——第十屆全國疲勞與斷裂學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2000年

5 韋麗金;;點(diǎn)蝕疲勞壽命估算方法[A];探索 創(chuàng)新 交流——第三屆中國航空學(xué)會(huì)青年科技論壇文集（第三集）[C];2008年

6 張開達(dá);李亞智;;計(jì)及平均應(yīng)力影響的疲勞壽命估算方法[A];復(fù)合材料的現(xiàn)狀與發(fā)展——第十一屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2000年

7 趙麗濱;董沛;張建宇;;某連接結(jié)構(gòu)固定銷的疲勞壽命估算[A];北京力學(xué)會(huì)第13屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2007年

8 孫國正;郭建生;;改善實(shí)際結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算精度的方法[A];中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)物料搬運(yùn)分會(huì)第四屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];1992年

9 趙迪;丁克勤;尚新春;;煙氣輪機(jī)葉片的數(shù)值模擬計(jì)算與壽命評(píng)估[A];北京力學(xué)會(huì)第15屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集[C];2009年

10 雷宏剛;畢朝銳;劉麗君;閆亞杰;李宇;;M20高強(qiáng)螺栓變幅疲勞試驗(yàn)研究及疲勞壽命估算[A];鋼結(jié)構(gòu)工程研究（四）——中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與疲勞分會(huì)2002年學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2002年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 陳先民;金屬雙尺度彈塑性形變分析及譜載疲勞壽命估算[D];西北工業(yè)大學(xué);2018年

2 王明珠;結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞壽命分析方法研究[D];南京航空航天大學(xué);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 王雪穎;基于斷裂力學(xué)理論的焊接球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算[D];太原理工大學(xué);2010年

2 孔浩源;往復(fù)式壓縮機(jī)活塞桿斷裂失效分析及疲勞壽命估算[D];山東大學(xué);2012年

3 劉曉娟;基于累積損傷理論的焊接球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算[D];太原理工大學(xué);2010年

4 丁晟;某型直升機(jī)主減速器直齒輪疲勞壽命估算方法研究[D];中南大學(xué);2014年

5 焦晉峰;基于累積損傷及斷裂力學(xué)理論的高強(qiáng)螺栓疲勞壽命估算[D];太原理工大學(xué);2005年

6 孫偉;結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞壽命估算方法研究[D];南京航空航天大學(xué);2005年

7 劉健;考慮復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算研究[D];南京航空航天大學(xué);2009年

8 張培新;復(fù)合材料層壓板層間應(yīng)力分析和疲勞壽命估算[D];西北工業(yè)大學(xué);2005年

9 趙智強(qiáng);鋁合金輪轂疲勞壽命估算以及輪轂彎曲疲勞試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)[D];東北大學(xué);2014年

10 韋麗金;點(diǎn)蝕疲勞壽命估算的投影面積法[D];南京航空航天大學(xué);2008年

本文編號(hào)：2663311