腐蚀环境下结构疲劳强度DFR值计算
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摘要:不同的预腐蚀年限,结构有不同的S-N曲线。在假设结构S-N曲线形状参数不变的条件下,将服从三参数Stromeyer函数的S-N曲线引入腐蚀疲劳寿命分析的dfr方法中,推导出结构细节疲劳额定值DFR的计算公式。计算结果表明在中长寿命区,预腐蚀疲劳计算结果与传统DFR法的计算结果相差不大。
Abstract: Structures own different S-N curves under different pre-corrosion year. Under the condition that the shape-paremeters unchanged under different pre-corrosion year, this article introduces the three-paremeters Stromeyer function S-N curve into the DFR approach, and it calculates the formulation of the structure detail fatigue rating. Result demostrates that, in HCF area, there is little difference between the method the article mentioned and the original DFR method under corrosive envirenment.
关键词:理论疲劳极限;DFR法;预腐蚀疲劳;
Key words: theoretic fatigue limit;DFR method;pre-corrosion fatigue
中图分类号:E0-03 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)23-0118-02
0引言
结构疲劳失效是其主要的失效模式,并且结构总是处在一定的环境中工作,因此,进行腐蚀环境条件下的疲劳可靠性分析可以为制定机构的检查及维修方案和确定结构的服役寿命提供重要依据。在目前的可靠性分析方法中,DFR法以其资料丰富、计算简便、精度高而获得广泛的应用[1]。DFR法在中长寿命区采用双参数的S-N曲线,并假定在腐蚀疲劳分析中,其斜率B保持不变,将DFR法引入腐蚀疲劳寿命分析。
然而文献[2,3]中的大量的试验数据拟合结果表明,对于中长寿命区,无论是一般环境还是腐蚀疲劳,三参数的S-N曲线较双参数的S-N曲线能更好地拟合试验数据。所以本文将服从三参数Stromeyer函数的S-N曲线引入DFR法,进行腐蚀条件下的可靠性分析。
1腐蚀环境下的DFR法
研究表明,腐蚀环境下结构疲劳关键件的主要腐蚀类型是点蚀。腐蚀介质在材料表面形成很多小的蚀坑,导致构件疲劳品质下降;另一方面腐蚀还使得该构件关键危险部位的有效承载面积减小,因此可以将地面停放腐蚀对疲劳寿命的影响视为结构疲劳极限S∞的降低[4],于是可以假设地面停放不同时间Tj后,指定的应力比R下,飞机结构关键危险部位三参数Stromeyer S-N曲线形状保持不变;文献[5]提出:理论应力集中系数Kt相同或相近的条件下,某应力比R下结构三参数Stromeyer S-N曲线的三参数形状参数A、α与材料的S-N曲线的相应参数值相同,而S∞由关键危险部位模拟试件在给定谱载下的疲劳试验结果确定。所以具有理论应力集中系数Kt的结构三参数S-N曲线参数Aj、αj取材料的S-N曲线的相应参数值,结构的S∞j取模拟试件在给定谱载下的疲劳试验值。
1.1 DFR法的基本假设
1.1.1 在给定的应力水平下,结构的疲劳寿命服从双参数Weibull分布。
1.1.2 在中长寿命区,最大应力Smax与疲劳寿命N之间服从三参数Stromeyer函数:
Smax=S∞1+(1)
式中A、α为材料参数,也是该疲劳曲线的形状参数,S∞为结构(或材料)的理论疲劳极限。
1.1.3 对不同的预腐蚀年限Tj后,S-N曲线形状参数Aj、αj不变,取值为材料的相应参数值(如图1);S∞j为结构预腐蚀年限Tj后的理论疲劳极限。
1.1.4 等寿命线为直线,并且各等寿命曲线与横坐标轴交于同一点σm0,σm0为材料常数。
1.1.5 疲劳损伤服从Miner线性累计损伤准则。
1.2 腐蚀环境下,DFR法计算将(1)式两边都乘以,得:
S=S1+(2)
式中:S=S∞j
将(2)整理,并取对数,得:
lg-1=lgA-αlgN(3)
应力比R=0.06的直线和N=105的等寿命线交点的Sm=0.53DFR、Sa=0.47DFR;那么:
lg-1+5α=lgA(4)
将(4)式代入(3)式,得:
lg(SaD-S0)-lg(0.47DFR-S0)=α(5-lgN)(5)
式中:SaD为Sm=0.53DFR的S-N曲线上的应力幅值(如图2)。
在等寿命图中,对任何一条等寿命线,
S=S(6)
将(6)式代入(5)式,得:
lg-S0-lg(0.47DFR-S)=α(5-lgN)
DFR=(7)
式中:X=,
将S=S、S=S代入(7)式,
DFR=(8)
2算例
由文献[2]中的LY12-CZ数据拟合得到应力比R=0.06,不同理论应力集中系数Kt下的三参数S-N曲线形状参数,如表1。
某民机机身结构舱内下半框铆接部位的蒙皮含铆钉孔细节模拟试验件,材料采用2024-T3δ1.8板材(进口料,国内称为LY12-CZ),当量预腐蚀0年、10年、20年和30年。疲劳载荷选用应力比为R=0.06、Smax=135.78[6],当量预腐蚀年限Tj后疲劳寿命试验结果见表2。
由Heywood公式[7],可以计算得到该模拟件的理论应力集中系数Kt=2.60,由表1数据线性插值可得该模拟件的形状参数,为:A=575.53、α=0.4875,当量预腐蚀年限Tj后,该模拟件的计算结果见表3。
3结论
基于三参数Stromeyer S-N曲线在预腐蚀疲劳中相撞参数不变,将该S-N曲线引入到腐蚀环境下DFR方法中,给出了结构DFR值的计算方法。由钉孔细节模拟试验件的计算结果可知,本文中的提出的DFR法可以用于腐蚀环境下结构的疲劳可靠性分析。
参考文献:
[1]陈一坚.飞机结构耐久性及损伤容限设计手册:第二册-飞机结构的疲劳分析[M].北京:航空航天工业科学技术研究院,1989.
[2]吴学仁.飞机结构金属材料力学性能手册第1卷-静强度•疲劳/耐久性[M].北京:航空工业出版社,1996:211-352.
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