应力严重系数法对预腐蚀损伤铝合金2524疲劳寿命预测研究

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腐蚀是金属结构失效的重要原因之一,航空结构的腐蚀损伤常常造成一些灾难性事故。机身结构用高强度铝合金处于含氯化物的腐蚀环境时很容易发生点腐蚀损伤。点蚀坑作为应力集中源,是裂纹容易萌生处,疲劳裂纹优先从腐蚀坑处萌生。腐蚀坑的应力集中情况跟腐蚀坑的深度、大小和形状等特征参数有关。因此,定量研究腐蚀坑特征参数与应力集中系数关系,用应力严重系数法对含腐蚀损伤结构进行疲劳寿命预测具有重要的研究价值。  本文主要研究了腐蚀坑特征参数与应力集中系数的关系及用应力严重系数法对腐蚀预损伤铝合金2524进行疲劳寿命预测。  首先,用光学显微镜KeyenceVHX-600和白光共聚焦显微镜NikonECLIPSEL150对腐蚀溶液浸泡后的2524铝合金板材试验件的表面腐蚀损伤形貌进行了观测。获得了表面腐蚀形貌的原始数据,提取了不同腐蚀浸泡时间腐蚀坑深度、周长、面积、曲面面积等特征参数。讨论了腐蚀浸泡时间对预腐蚀损伤程度的影响。对腐蚀损伤特征参数进行了统计分析。  其次,采用三维有限元模型,系统地研究了单轴拉伸条件下表面含半椭球形腐蚀坑缺陷长方体的应力分布情况,讨论了腐蚀坑缺陷的表征参量与应力集中系数的相关性。发现腐蚀坑特征参数ab/2c2可以很好的用于描述腐蚀坑处的应力集中状况与腐蚀坑几何特征的变化关系,给出了拟合的经验公式。并根据一次腐蚀坑应力集中系数的经验公式,建立了计算含二次腐蚀坑结构的应力集中系数估算公式。对光滑板材试验件和圆孔板材试验件用ANSYS进行了实体建模分析,根据提取的腐蚀坑特征参数,分别用单腐蚀坑和多腐蚀坑来建模模拟试验件的腐蚀损伤情况,计算得到了不同腐蚀预损伤时间试验件的应力集中系数。  接着,用高频疲劳试验机进行疲劳试验,测试了铝合金2524圆孔板材试验件和光滑板材试验件共12条S-N曲线。分析了疲劳S-N性能数据与腐蚀损伤时间的关系,发现腐蚀预损伤时间对于材料疲劳行为有一定的影响。基于应力严重系数法估算了试验件的S-N曲线,并与测试的S-N曲线进行了对照,两者较好的吻合。最后,用应力严重系数法估算了腐蚀预损伤24h圆孔板材试验件在等幅载荷下的疲劳寿命及变幅载荷下的疲劳寿命。
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