陳安，許飛，閆文偉，董登科

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 三室，西安　710065)

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基于DFR法的Al-Li-S4鋁鋰合金鉚接結(jié)構(gòu)疲勞可靠性分析

陳安，許飛，閆文偉，董登科

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 三室，西安710065)

摘要：Al-Li-S4是新一代鋁鋰合金，常被用作機(jī)身材料，而鉚接結(jié)構(gòu)在飛機(jī)各個(gè)重要受力結(jié)構(gòu)中也具有廣泛的應(yīng)用。為了研究Al-Li-S4鋁鋰合金鉚接結(jié)構(gòu)的疲勞性能，通過試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得到兩種鉚接結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)疲勞額定值(DFR)，并借助掃描電鏡觀察其疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展行為。結(jié)果表明：Al-Li-S4鋁鋰合金鉚接搭接結(jié)構(gòu)的DFR值為102.24 MPa，鉚釘填充锪窩孔連接結(jié)構(gòu)的DFR值為169.41 MPa；Al-Li-S4鋁鋰合金疲勞斷口的分析表征其具有良好的抗疲勞損傷性能。研究結(jié)果可為新型民用飛機(jī)選材、疲勞設(shè)計(jì)和壽命評(píng)估提供參考。

關(guān)鍵詞：細(xì)節(jié)疲勞額定值；Al-Li-S4鋁鋰合金；鉚接結(jié)構(gòu)；疲勞斷口

0引言

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鉚接接頭常用來連接和組裝各類受力結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各部件之間的載荷傳遞和分配，其疲勞性能對(duì)飛機(jī)的安全性具有重要影響。國內(nèi)外諸多學(xué)者，借助各種方法對(duì)鉚接連接件的疲勞性能開展了廣泛研究。例如，M.R.Urban[1]對(duì)機(jī)身鉚接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)和三維有限元分析。Osama Bedair[2]研究了飛機(jī)鉚接搭接結(jié)構(gòu)在偏心載荷作用下的受力特征，發(fā)現(xiàn)彎曲應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)具有重要影響。李風(fēng)等[3]通過試驗(yàn)研究了鉚釘搭接頭在不同環(huán)境下的疲勞強(qiáng)度曲線，并推導(dǎo)了描述鉚釘搭接頭疲勞壽命的數(shù)學(xué)表達(dá)式。趙平等[4]采用確定性裂紋增長方法對(duì)航空鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了壽命評(píng)估，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。吳建國等[5]利用有限元軟件對(duì)機(jī)身鉚接結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)節(jié)應(yīng)力分析，并根據(jù)損傷力學(xué)原理，建立了疲勞裂紋形成的壽命預(yù)估方法。

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，對(duì)飛機(jī)的使用性能和可靠性的要求愈來愈高，對(duì)其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的疲勞性能的要求也更加突出。新型航空鋁合金的研制成功及其應(yīng)用技術(shù)的提升，更好地滿足了飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造和使用要求。鋁鋰合金是一種低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度的鋁合金，具有優(yōu)良的低溫性能、耐腐蝕性能和卓越的超塑成形性能，在航空航天領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景[6-8]。Al-Li-S4作為新一代鋁鋰合金，是專為國產(chǎn)新型大型商用客機(jī)而生產(chǎn)的機(jī)身材料[9]，用其取代傳統(tǒng)鋁合金，可以達(dá)到減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的目的。因此，對(duì)Al-Li-S4鋁鋰合金的疲勞特性進(jìn)行研究，有助于推廣和促進(jìn)鋁鋰合金在我國航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

本文對(duì)Al-Li-S4鋁鋰合金鉚接搭接和鉚釘填充锪窩孔連接兩種形式試驗(yàn)件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，通過統(tǒng)計(jì)分析獲得兩種鉚接結(jié)構(gòu)的DFR值；同時(shí)，采用掃描電鏡對(duì)疲勞斷口進(jìn)行觀察，分析疲勞裂紋的萌生位置和裂紋擴(kuò)展路徑，為飛機(jī)新型材料的疲勞設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供參考。

1Al-Li-S4鋁鋰合金鉚接結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)件

試驗(yàn)件為飛機(jī)典型鉚接結(jié)構(gòu)，分為兩種連接形式：蒙皮鉚接搭接結(jié)構(gòu)(試驗(yàn)件尺寸如圖1所示)和鉚釘填充锪窩孔連接結(jié)構(gòu)(試驗(yàn)件尺寸如圖2所示)。試驗(yàn)件所用鉚釘?shù)呐普站鶠镹AS1097AD6，按連接形式分為兩組，每組6件。

圖1　蒙皮鉚接搭接試驗(yàn)件幾何尺寸

圖2　鉚釘填充锪窩孔試驗(yàn)件幾何尺寸

試驗(yàn)件材料為美國鋁業(yè)公司生產(chǎn)的Al-Li-S4鋁鋰合金，其化學(xué)成分如表1所示。主要力學(xué)性能：屈服強(qiáng)度為421 MPa，拉伸強(qiáng)度為497 MPa，彈性模量為74 GPa。

表1　Al-Li-S4化學(xué)成分表

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于室溫大氣環(huán)境下在INSTRON-8801-100kN液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)靜態(tài)載荷誤差為1%，動(dòng)態(tài)載荷誤差為2%。試驗(yàn)采用應(yīng)力控制單向拉伸循環(huán)加載，施加的載荷為軸向等幅譜，載荷波形為正弦波，頻率f=15 Hz，應(yīng)力比R=0.06。試驗(yàn)按照《金屬材料軸向加載疲勞試驗(yàn)方法》(HB5287-1996)進(jìn)行，試驗(yàn)件破壞后記錄循環(huán)壽命，試驗(yàn)整體照片如圖3所示。

圖3　試驗(yàn)整體照片

1.3試驗(yàn)結(jié)果

為了保證試驗(yàn)的可靠度，需要選取合適的應(yīng)力水平，使每組試驗(yàn)的特征壽命的有效值不少于5個(gè)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果

2基于DFR法的疲勞可靠性分析

細(xì)節(jié)疲勞額定值(Detail Fatigue Rating，簡稱DFR)法是在總結(jié)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞特性的統(tǒng)計(jì)特性的基礎(chǔ)上，形成的一種以名義應(yīng)力為參量的疲勞壽命分析方法。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[10]。

大量試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際統(tǒng)計(jì)資料均表明：由于加工精度、原始缺陷以及使用環(huán)境等因素的影響，名義上一致的結(jié)構(gòu)件在試驗(yàn)或使用過程中其疲勞壽命是一個(gè)呈雙參數(shù)威布爾(Weibull)分布的隨機(jī)變量[11]，其壽命的概率分布函數(shù)為

(1)

式中：β為特征壽命；α為形狀參數(shù)，決定威布爾分布的分布密度曲線的形狀；N為循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)最大似然法，對(duì)于n個(gè)完全壽命子樣，其特征壽命的點(diǎn)估計(jì)值為

(2)

在經(jīng)過一定的坐標(biāo)變換后，威布爾分布的分布函數(shù)由曲線轉(zhuǎn)化為直線，該直線的斜率即為形狀參數(shù)α。對(duì)于鋁合金材料，美國波音公司在統(tǒng)計(jì)了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，得出α=4。

2.2可靠性壽命N95/95

具有95%置信度和95%可靠度的試驗(yàn)壽命N95/95為

(3)

式中：SC為置信度系數(shù)；SR為可靠度系數(shù)；ST為試件系數(shù)。

置信水平為95%的置信度系數(shù)(SC)如表3所示。

表3　置信度系數(shù)(SC)

可靠度系數(shù)(SR)的計(jì)算公式為

(4)

式中：RS為可靠度。

具有95%可靠度的可靠度系數(shù)，根據(jù)公式(4)計(jì)算得SR=2.1。

試件系數(shù)ST用來修正試件與實(shí)際結(jié)構(gòu)在構(gòu)形上的差異，結(jié)合大量試驗(yàn)及實(shí)際使用情況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)于全尺寸試驗(yàn)件，ST=1。本文試驗(yàn)為元件試驗(yàn)，取ST=1.3。

2.3試驗(yàn)表征的DFR

試驗(yàn)的DFR值采用單點(diǎn)法(標(biāo)準(zhǔn)S-N曲線法)計(jì)算，計(jì)算公式為

(5)

式中：σmax為試驗(yàn)選取的最大應(yīng)力；對(duì)于鋁合金，S-N曲線斜率參量S=2，σm0=310 MPa。

試驗(yàn)分析結(jié)果如表4所示。

表4　試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

從表4可以看出：Al-Li-S4蒙皮鉚接搭接結(jié)構(gòu)的DFR值為102.24 MPa，鉚釘填充锪窩孔連接結(jié)構(gòu)的DFR值為169.41 MPa。

3疲勞斷口分析

為了進(jìn)一步研究Al-Li-S4鋁鋰合金的疲勞性能，采用Quanta600掃描電鏡觀察不同階段的疲勞斷口形貌，如圖4所示。

(a) 整體形貌

(b) 疲勞源區(qū)

(c) 裂紋擴(kuò)展區(qū)

(d) 瞬斷區(qū)

從圖4可以看出：疲勞斷口主要由疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)組成，其中裂紋擴(kuò)展區(qū)所占比重最大；疲勞源區(qū)形成位置與試樣表面加工狀態(tài)、微觀缺陷以及表面粗大第二相粒子密切相關(guān)，在疲勞源區(qū)可以看到許多結(jié)晶學(xué)小平面和河流狀花紋，斷口具有明顯的晶體學(xué)特征；裂紋擴(kuò)展區(qū)主要呈現(xiàn)疲勞條帶特征，疲勞條帶基本相互平行、細(xì)密有致且具有規(guī)則的間距，同時(shí)，在疲勞裂紋擴(kuò)展過程中出現(xiàn)破碎的粗大第二相顆粒，掉落后在疲勞條帶上形成大量的孔洞；瞬斷區(qū)主要由大小不同的韌窩和空洞組成，呈現(xiàn)韌性斷裂的特點(diǎn)，具有靜拉伸時(shí)的斷口特征。

4結(jié)論

(1) Al-Li-S4鋁鋰合金具有十分優(yōu)良的抗疲勞損傷特性，該合金鉚接搭接結(jié)構(gòu)的DFR值為102.24 MPa，鉚釘填充锪窩孔連接結(jié)構(gòu)的DFR值為169.41 MPa。

(2) Al-Li-S4鋁鋰合金疲勞斷口呈現(xiàn)出三個(gè)典型區(qū)域：疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。其裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶細(xì)密有致，良好的規(guī)律性是Al-Li-S4鋁鋰合金具有優(yōu)良的抗疲勞損傷特性的主要原因。

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陳安(1986-)，男，碩士，工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)疲勞、斷裂及可靠性分析。

許飛(1984-)，男，碩士，工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)疲勞、斷裂及可靠性分析。

閆文偉(1981-)，男，高級(jí)工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)耐久性/損傷容限設(shè)計(jì)。

董登科(1963-)，男，博士，研究員。主要研究方向：結(jié)構(gòu)疲勞與斷裂、耐久性與損傷容限設(shè)計(jì)、可靠性工程。

(編輯：馬文靜)

Fatigue Reliability Analysis of Al-Li-S4 Riveted Joints Based on Detail Fatigue Rating

Chen An, Xu Fei, Yan Wenwei, Dong Dengke

(The Third Department, Aircraft Strength Research Institute of China, Xi’an 710065, China)

Abstract:Al-Li-S4 is a new generation of aluminum-lithium alloys，which is often used as an aircraft body material. Riveted joints is extensively used in each important load-carrying structure of aircraft. In order to investigate the fatigue performance of Al-Li-S4 aluminum-lithium alloys two riveted joints are studied. The detailed fatigue rating(DFR) values are measured and calculated based on the fatigue tests. The fatigue crack initiation and propagation behavior are observed by scanning electron microscopy. The results indicate that DFR value of Al-Li-S4 alloy with riveted lap joins is 102.24 MPa, and the DFR value of rivet-filled countersink hole structure is 169.41 MPa. Fatigue fractography shows that Al-Li-S4 alloy has superior fatigue properties. The study can be used to select suitable materials from the fatigue strength design and fatigue life evaluation of the civil aircraft.

Key words:detailed fatigue rating; Al-Li-S4 aluminum-lithium alloys; riveted joints; fatigue fractography

作者簡介：

中圖分類號(hào)：V215.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.01.014

文章編號(hào):1674-8190(2016)01-101-05

通信作者：陳安,andychen1986@163.com

收稿日期：2015-12-23；修回日期：2016-01-12