7075鋁合金疲勞壽命研究及數值模擬

馬立勇，張永清，孫曉紅

（1. 河北建筑工程學院 機械工程學院，河北張家口，075000；2. 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島，266000）

7075鋁合金疲勞壽命研究及數值模擬

馬立勇1，張永清1，孫曉紅2

（1. 河北建筑工程學院 機械工程學院，河北張家口，075000；2. 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島，266000）

本文運用有限元分析對7075鋁合金板材進行了疲勞壽命數值分析，并將仿真分析結果與理論分析結果進行了對比。分析結果表明，仿真分析與理論分析重合度高，為進一步研究7075疲勞性提供了數值分析依據。

7075鋁合金；疲勞壽命；有限元分析

1 有限元建模

1.1 材料的參數

7075高強鋁合金的材料參數為：彈性模量E=72GPa，泊松比μ=0.33 ，抗拉強度σb=523MPa。

1.2 有限元模型的建立及計算

用PROE建立7075鋁合金標準試樣實體模型，導入Workbench后賦予材料屬性，選擇六面體網格劃分，中部橫截面積較小處做細化網格處理，有限元模型及網格劃分如圖1所示。根據模型的幾何形狀及施加載荷的對稱性，選取7075鋁合金標準試樣模型的1/4進行分析，左端面和底面分別施加對稱邊界條件，對模型右端面分別施加拉伸載荷σ1=85MPa，σ2=100MPa，σ3=130MPa，σ4=160MPa，利用Workbench分別對四種應力水平下的模型進行計算。

圖1 有限元實體模型

2 7075鋁合金疲勞性能有限元分析2.1 材料S-N曲線及載荷歷程

選擇Workbench材料庫中7075材料，可以得到應力比為0.1的材料S-N曲線，S-N曲線如圖2所示。設置應力循環為R=0.1的正弦波載荷，在標準試樣的右側分別施加σ1=80MPa，σ2=90MPa，σ3=120MPa，σ4=150MPa，為標準試樣模型構造與疲勞試驗相同的加載條件，循環載荷的時間歷程如圖3所示，其中一個周期為一個循環。

圖2 材料庫中7075鋁合金材料的S-N曲線

圖3 循環載荷的時間歷程

2.2 標準試樣疲勞壽命仿真結果

設定好材料屬性及載荷歷程后，通過材料的S-N曲線，關聯載荷時間歷程與實體模型工況，選取Goodman平均應力修正法，分析7075鋁合金標準試樣模型的疲勞壽命，計算后得到90MPa下標準試樣模型的疲勞壽命為3.2221E5次，如圖4所示。同理可得80MPa、120MPa、150MPa下模型的疲勞壽命分別為7.8003E5、7.5981E4和2.4744E4次。

圖4 90MPa下標準試樣的疲勞壽命云圖

由各應力下的應力云圖可以看出，當試樣兩端施加拉伸載荷時，試樣的最大應力位于截面積最小處，因為試樣兩端所受拉力一定，根據公式S=F/A，截面積越小，所受拉力越大，所以先發生斷裂；根據試樣的疲勞壽命云圖可以看出，疲勞壽命最小的地方即應力云圖中受力最大的部位，隨著應力水平的提高，疲勞壽命逐漸下降這與疲勞試驗得出的結論一致。

3 結論

2224鋁合金標準試樣的疲勞壽命數值模擬過程中，在疲勞試樣模型兩端施加拉伸載荷后，試樣模型所受最大應力位置在試樣中間橫截面積最小處，與試驗中試樣斷裂位置相同。

在疲勞試樣模型兩端施加拉伸正弦載荷，應力比R為0.1，疲勞壽命最低處為模型所受最大應力位置，即最小截面處。隨著應力載荷的增加，疲勞壽命逐漸減少，與疲勞試驗的結論一致。

[1]劉義倫.工程構件疲勞壽命預測理論與方法[M].長沙:湖南科學出版社, 1997:1-10.

[2]徐灝.疲勞強度[M],北京:高等教育出版社, 1988:1-9.

[3]吳富民.結構疲勞強度[M].西安:西北工業大學出版社,1985:1-4.

[4]孫曉紅.2224鋁合金板材的疲勞性能研究[D].中南大學,2014.

Study and Simulation on Fatigue Life of 7075 Alloy

Ma Liyong1, Zhang Yongqing1, Sun Xiaohong2
（1. School of Mechanical engineering, Hebei University of Architecture, Zhangjiakou Hebei, 075000;2.CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao Shandong, 266000）

In this paper, the fatigue life of 7075 aluminum alloy sheet is analyzed by finite element analysis, and the simulation results are compared with the theoretical analysis results. The results show that the simulation analysis is highly consistent with the theoretical analysis, which provides a numerical basis for further study of fatigue of 7075.

7075 aluminum alloy; fatigue life; finite element analysis

馬立勇，男，1987年生，河北張家口人，講師，主要研究方向為高強鋁合金的疲勞強度。

河北省高等學校科學技術研究項目(ZC2016030)，河北省高等學校科學技術研究項目(ZD2016160)，河北建筑工程學院青年基金項目（QN201402）, 河北建筑工程學院青年基金項目（QN201401）。

張永清（通訊作者），女，1964年生，河北張家口人，教授，主要研究方向為高強鋁合金的疲勞強度。