本發(fā)明屬于疲勞壽命試驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及一種缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件DFR值的確定方法。

背景技術(shù)：

缺口結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的一種典型結(jié)構(gòu)形式，常以各種開孔、凹槽、凹坑、臺(tái)階等形式出現(xiàn)。各種缺口以及圓角半徑小于10倍厚度差的細(xì)節(jié)或者噴丸后小于5倍以上厚度差的細(xì)節(jié)需視為缺口結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行疲勞校核。

現(xiàn)有的該種結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)在采用DFR(細(xì)節(jié)疲勞額定值)方法進(jìn)行疲勞校核時(shí)，最主要的工作之一就是確定結(jié)構(gòu)的DFR值。該工作往往需要查詢手冊(cè)中的各種不同的DFR基準(zhǔn)值計(jì)算公式及圖表、各種修正系數(shù)的曲線及圖表，由于整個(gè)過(guò)程涉及步驟較多以及待定參數(shù)較多，工作量較大，不同人員進(jìn)行計(jì)算時(shí)所取得的結(jié)果可能不同，計(jì)算結(jié)果的精度難以得到保證。

如何使用較少的輸入條件，更高效地確定滿足精度要求的缺口細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的DFR值方法在工程上有較大的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件DFR計(jì)算時(shí)步驟太多，輸入太多的問(wèn)題，本發(fā)明給出了一種快速計(jì)算缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件DFR值的方法。

本發(fā)明缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件DFR值的確定方法主要包括以下步驟：

S1、確定所述缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的應(yīng)力集中系數(shù)K_t；

S2、根據(jù)應(yīng)力集中系數(shù)K_t確定疲勞缺口系數(shù)K_f；

S3、確定材料拉伸強(qiáng)度σ_b；

S4、根據(jù)以下公式獲取缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的DFR值：

其中，DFR_qk為缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的DFR值，DFR_gh為光滑試驗(yàn)件的DFR值，所述光滑試驗(yàn)件的DFR值為試驗(yàn)件所允許使用的最大DFR值，所述光滑試驗(yàn)件是指應(yīng)力集中系數(shù)K_t小于1.5的試驗(yàn)件。

優(yōu)選的是，所述步驟S2中疲勞缺口系數(shù)K_f根據(jù)Peterson公式獲取，所述Peterson公式為：

其中，r為缺口根部曲率半徑，a為材料常數(shù)，a＝0.0254*(2079/σ_b)，σ_b為材料拉伸強(qiáng)度。

上述方案中優(yōu)選的是，所述步驟S4包括以下步驟：

S401、根據(jù)古德曼壽命曲線獲取光滑試驗(yàn)件在對(duì)稱循環(huán)載荷下的疲勞強(qiáng)度，所述疲勞強(qiáng)度表達(dá)式如下所示：

其中，σ_-1-gh為光滑試驗(yàn)件在應(yīng)力比R＝-1時(shí)的疲勞強(qiáng)度，σ_max-gh為各應(yīng)力比R下光滑試驗(yàn)件的最大應(yīng)力，σ_b為材料拉伸強(qiáng)度；

S402、計(jì)算在步驟S1中最大應(yīng)力值為所述光滑試驗(yàn)件DFR值時(shí)的疲勞強(qiáng)度，當(dāng)所述最大應(yīng)力σ_max-gh為所述光滑試驗(yàn)件的DFR值時(shí)，所述R為0.06，此時(shí)所述表達(dá)式如下所示：

其中，DFR_gh為光滑試驗(yàn)件的DFR值，該DFR值為在R＝0.06時(shí)的最大應(yīng)力，即DFR_gh＝σ_max-gh；

S403、同理，計(jì)算在最大應(yīng)力值為缺口結(jié)構(gòu)σ_max-gh的DFR值時(shí)的疲勞強(qiáng)度，公式如下：

其中，σ_-1-qk為缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件在應(yīng)力比R＝-1時(shí)的疲勞強(qiáng)度，DFR_qk為缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的DFR值，對(duì)應(yīng)R＝0.06時(shí)的最大應(yīng)力，即DFR_qk＝σ_max-qk，σ_max-qk為各應(yīng)力比R下的缺口試驗(yàn)件的最大應(yīng)力；

S404、所述疲勞缺口系數(shù)K_f為在R＝-1時(shí)的疲勞強(qiáng)度下的光滑試驗(yàn)件疲勞強(qiáng)度σ_-1-gh與缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的疲勞強(qiáng)度σ_-1-qk的比值。

上述方案中優(yōu)選的是，在步驟S4中，結(jié)構(gòu)件所允許使用的最大DFR值為DFR_cutoff，該值通過(guò)查表獲得。

本發(fā)明所提出的缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件DFR值的確定方法，對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中廣泛使用的缺口結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，不再依賴原先DFR基準(zhǔn)值的各種復(fù)雜的計(jì)算公式，而給出了各種缺口結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的DFR計(jì)算的統(tǒng)一公式。

本發(fā)明所提出的缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件DFR值的確定方法，基于疲勞基本理論推導(dǎo)得出，更加符合缺口細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的疲勞破壞機(jī)理。

本發(fā)明所提出的缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件DFR值的確定方法，理論依據(jù)清楚，步驟簡(jiǎn)便，便于計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化計(jì)算。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件DFR值的確定方法的一優(yōu)選實(shí)施例的流程圖。

圖2為本發(fā)明圖1所示實(shí)施例的帶缺口的鋁合金試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。在附圖中，自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“縱向”、“橫向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。

如圖1所示，本發(fā)明缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件DFR值的確定方法主要包括以下步驟：

S1、確定所述缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的應(yīng)力集中系數(shù)K_t；

S2、根據(jù)應(yīng)力集中系數(shù)K_t確定疲勞缺口系數(shù)K_f；

S3、確定材料拉伸強(qiáng)度σ_b；

S4、根據(jù)以下公式獲取缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的DFR值：

其中，DFR_qk為缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的DFR值，DFR_gh為光滑試驗(yàn)件的DFR值，所述光滑試驗(yàn)件的DFR值為試驗(yàn)件所允許使用的最大DFR值，所述光滑試驗(yàn)件是指應(yīng)力集中系數(shù)K_t小于1.5的試驗(yàn)件。

以下具體描述一下步驟S4的推導(dǎo)過(guò)程：

需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中的所述光滑試驗(yàn)件是指無(wú)缺口試驗(yàn)件，且該無(wú)缺口試驗(yàn)件無(wú)應(yīng)力集中，或者其應(yīng)力集中系數(shù)K_t小于1.5，所述對(duì)稱循環(huán)載荷是指恒幅循環(huán)載荷中，最大載荷與最小載荷的絕對(duì)值相等符號(hào)相反的循環(huán)。

首先，優(yōu)選根據(jù)疲勞載荷基本定義及古德曼等壽命曲線來(lái)獲得疲勞強(qiáng)度，其公式如下所示：

其中，σ_-1-gh為光滑試驗(yàn)件在應(yīng)力比R＝-1時(shí)的疲勞強(qiáng)度，σ_max-gh為各應(yīng)力值下光滑試驗(yàn)件的最大應(yīng)力，σ_b為材料拉伸強(qiáng)度，需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例上述公式中，將任意R值的光滑試件疲勞強(qiáng)度折算到R＝-1時(shí)的光滑試件疲勞強(qiáng)度?？梢岳斫獾氖?，以下公式包括在求缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的疲勞強(qiáng)度中，也是將疲勞強(qiáng)度折算到R＝-1時(shí)的疲勞強(qiáng)度，并用σ_-1-qk來(lái)表示。

其次，根據(jù)DFR定義將DFR值代入上述公式中。所述DFR定義為：任一結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的DFR為當(dāng)應(yīng)力比R＝0.06時(shí)，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)壽命具有95％置信度和95％可靠度，能夠達(dá)到10⁵次循環(huán)壽命的最大應(yīng)力(MPa)，為此可得如下公式：

其中，DFR_gh為光滑試驗(yàn)件的DFR值，該DFR值對(duì)應(yīng)于在R＝0.06時(shí)的最大應(yīng)力，即DFR_gh＝σ_max-gh。

與光滑試驗(yàn)件的求取方法相同，重復(fù)上述兩個(gè)步驟，以計(jì)算在最大應(yīng)力值為缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件DFR值時(shí)的疲勞強(qiáng)度，公式如下：

其中，σ_-1-qk為缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件應(yīng)力比R＝-1時(shí)的疲勞強(qiáng)度，DFR_qk為缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的DFR值，對(duì)應(yīng)R＝0.06時(shí)的最大應(yīng)力，即DFR_qk＝σ_max-qk，σ_max-qk為各應(yīng)力比值下缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的最大應(yīng)力。

根據(jù)光滑試驗(yàn)件和缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件在應(yīng)力比R＝-1時(shí)的疲勞強(qiáng)度及疲勞缺口系數(shù)K_f的定義(光滑試件疲勞強(qiáng)度與缺口試件疲勞強(qiáng)度的比值)，則有：

使缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的DFR和光滑試驗(yàn)件的DFR二者獨(dú)立，單獨(dú)推導(dǎo)上述步驟，可得到缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的DFR計(jì)算公式為：

可見(jiàn)，缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的DFR值是疲勞缺口系數(shù)K_f，光滑試樣的DFR_gh以及試樣材料拉伸強(qiáng)度σ_b的函數(shù)。

可以理解的是，確定缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的應(yīng)力集中系數(shù)K_t，可通過(guò)查應(yīng)力集中系數(shù)手冊(cè)或有限元應(yīng)力分析的方法確定。

本實(shí)施例中，引入工程實(shí)際中廣為應(yīng)用的描述疲勞缺口系數(shù)K_f和應(yīng)力集中系數(shù)K_t關(guān)系的Peterson公式：

其中，r為缺口根部曲率半徑，a為材料常數(shù)，a＝0.0254*(2079/σ_b)，σ_b為材料拉伸強(qiáng)度，一般來(lái)講，a通過(guò)查表獲得，對(duì)鋁合金a＝0.630mm，鋼材a＝0.046mm，鈦合金a＝0.020mm。該表達(dá)式假設(shè)從缺口根部向內(nèi)應(yīng)力線性減小，考慮了表面下應(yīng)力相對(duì)較低的材料對(duì)高應(yīng)力材料的支撐效應(yīng)，該公式因簡(jiǎn)潔而在工程實(shí)際中廣為應(yīng)用。

確定光滑試樣的DFR值即DFR_gh。光滑試樣對(duì)應(yīng)于無(wú)應(yīng)力集中或應(yīng)力集中很小的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，其應(yīng)力集中系數(shù)小于1.5。DFR_cutoff的定義為結(jié)構(gòu)件所允許使用的最大DFR值。DFR_cutoff適用于應(yīng)力集中系數(shù)較小的不帶連接孔的部位。DFR_cutoff是基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)限制，它反映了保護(hù)層脫落引起的輕微腐蝕或者制造和修理過(guò)程中正常操作可能引起的劃傷和擦傷后構(gòu)件的疲勞品質(zhì)。DFR_cutoff相當(dāng)于應(yīng)力集中系數(shù)K_t小于1.5的缺口試件的疲勞性能。因此，從定義可看出，材料的DFR_cutoff值即可視作材料光滑試樣的DFR值，即DFR_gh＝DFR_cutoff。材料的DFR_cutoff值可查《民機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)手冊(cè)》確定，從而確定DFR_gh。

通過(guò)查詢材料力學(xué)性能手冊(cè)確定材料的拉伸強(qiáng)度σ_b。

最后將這些參數(shù)代入步驟S4中的公式中，即可計(jì)算出缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的DFR值。

以鋁合金2024-T3為例，進(jìn)行本發(fā)明應(yīng)用說(shuō)明。

鋁合金試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，單位mm，缺口處的R3為曲率半徑，其值r為3.0mm，對(duì)鋁合金a＝0.630mm，通過(guò)查《民機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)手冊(cè)》，得到如圖2所示缺口結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的應(yīng)力集中系數(shù)K_t＝2.30。將上述參數(shù)代入Peterson公式中，可得到疲勞缺口系數(shù)K_f＝2.04。

確定光滑試樣的DFR值即DFR_gh。查《民機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)手冊(cè)》，2024-T3材料的DFR_cutoff值為193MPa(不包鋁板，不噴丸)，即DFR_gh＝193MPa。

查《民機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)手冊(cè)》，得到2024-T3材料σ_b＝442MPa。

將這些參數(shù)代入步驟S4中，最終得到缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的DFR值DFR_qk＝89.4MPa。

本發(fā)明所提出的缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件DFR值的確定方法，對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中廣泛使用的缺口結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，不再依賴原先DFR基準(zhǔn)值的各種復(fù)雜的計(jì)算公式，而給出了各種缺口結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的DFR計(jì)算的統(tǒng)一公式。

本發(fā)明所提出的缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件DFR值的確定方法，基于疲勞基本理論推導(dǎo)得出，更加符合缺口細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的疲勞破壞機(jī)理。

本發(fā)明所提出的缺口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件DFR值的確定方法，理論依據(jù)清楚，步驟簡(jiǎn)便，便于計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化計(jì)算。

最后需要指出的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制。盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。