含劃痕缺陷TB6鈦合金單軸疲勞壽命研究

倪陽 周儲偉

摘 要：采用連續力學方法結合有限元模擬研究了含劃痕缺陷TB6鈦合金板的疲勞壽命。首先建立帶缺陷的TB6試驗件有限元模型，隨后施加疲勞載荷，最后根據Chaboche疲勞損傷模型計算試驗件的疲勞壽命。

關鍵詞：疲勞壽命；劃痕；有限元模擬；損傷力學

中圖分類號：V215.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）02-0111-03

Abstract： The fatigue life of TB6 titanium alloy plate with scratch defect was studied by means of continuous mechanics method combined with finite element simulation. Firstly， the finite element model of the TB6 specimen with defects is established， and then the fatigue load is applied. Finally， the fatigue life of the specimen is calculated according to the Chaboche fatigue damage model.

Keywords： fatigue life； scratch； finite element simulation； damage mechanics

引言

直升機的金屬結構在生產、使用過程中難免會受到外物的磕碰，造成一些微小缺陷（凹坑、劃痕），這些小缺陷對結構的靜強度影響可以忽略，但是對于承受交變載荷的動部件來說，缺陷會大大減少其疲勞壽命。傳統的安全壽命法評估壽命時缺少對實際存在缺陷的針對性分析[1]，基于具體缺陷的疲勞壽命分析是發展更合理的疲勞壽命評估方法的前提。

劃痕是實際工程中常見的一類缺陷，由于劃痕局部的應力集中，使得構件的壽命大大減少。損傷力學通過引入損傷變量來研究材料在載荷作用下的損傷演化過程，具有比較完備的物理、力學體系，損傷變量通常具有相對明確的物理意義，逐漸成為預測構件疲勞壽命的有效方法之一。

本文以連續損傷力學為基礎，結合有限元分析對含劃痕缺陷的TB6鈦合金試樣高周疲勞壽命進行了分析。

1 理論模型

Chaboche和Lesen[2]提出一個非線性單軸應力疲勞損傷模型：

2 含劃痕缺陷鈦合金的疲勞壽命預估

2.1 含劃痕缺陷TB6試件疲勞加載有限元模擬

利用ABAQUS軟件建立TB6鈦合金板狀試驗件的有限元模型，如圖1所示。劃痕缺陷位于試驗件中部，劃痕尺寸為底部半徑r=0.2mm，深度d=0.2mm。在劃痕附近對網格進行局部加密，模型共有單元數50000個，單元類型為8節點減縮積分實體單元（C3D8R）。鈦合金板為彈性材料，材料參數由拉伸試驗獲得，見表1。

對有限元模型施加兩組應力比R=-1的疲勞載荷，名義應力幅分別為300Mpa和350Mpa。名義應力幅為300MPa時最大、最小應力下的應力分布如圖2所示，名義應力幅為350MPa時最大、最小應力下的應力分布如圖3所示。從圖中可以看出最大應力均出現在劃痕底部。

2.2 疲勞壽命預測

選擇劃痕底部任一點（沿劃痕方向應力基本相同）作為危險點，提取單軸疲勞損傷模型中所需的相關應力數據，疲勞損傷模型中的材料參數參考詹志新等人的相關工作[4]，參數取值見表2。將該點的相關應力數據及材料參數代入式（4），分別計算出試樣在最大名義應力幅為300MPa和350MPa疲勞載荷下的壽命值，列于表3。

3 結束語

基于連續損傷力學理論，對含劃痕缺陷TB6鈦合金的疲勞壽命進行了評估。利用有限元模擬獲得缺陷局部的應力狀態，考慮了應力集中效應對疲勞壽命的影響，提供了一種損傷力學理論結合有限元模擬預測含缺陷金屬材料疲勞壽命的方法。

研究發現劃痕缺陷的疲勞斷裂危險點在劃痕底部，該處的應力集中效應最明顯，疲勞加載過程中承受的應力幅最大。

參考文獻：

[1]顧文標，喻濺鑒，鄒靜，等.直升機金屬結構缺陷容限驗證技術研究[J].直升機技術，2013（1）：20-25.

[2]CHABOCHE J， LESNE P. A non-linear continuous fatigue damage model [J]. Fatigue Fracture Engineering Materials Structures， 1988，11（1）：1-17.

[3]DATTOMA V， GIANCANE S， NOBILE R， et al. Fatigue life prediction under variable loading based on a new non-linear continuum damage mechanics model [J]. International Journal of Fatigue， 2006，28（2）：89-95.

[4]詹志新，佟陽，李彬凱，等.考慮沖擊缺陷的鈦合金板的疲勞壽命預估[J].航空學報，2015，37（7）：2200-2207.