孔挤压强化工艺对叠层元件疲劳寿命影响分析

摘要

在飞机结构上，疲劳问题最严重的地方就是紧固孔，孔挤压强化是目前最有效的提高结构疲劳寿命的方法之一，普遍应用于飞机抗疲劳强化工艺中。在实际的应用中，为了保证孔的同心同时提高工作效率，带孔元件通常是叠层进行加工和挤压的。为了更真实的模拟实际情况，有必要对叠层元件的孔挤压进行研究。　　本文作为材料延寿工艺对材料疲劳寿命的行为影响工作的一部分，从分析孔挤压强化工艺过程出发，采用三维非线性有限元方法，通过MSC.Patran/Marc软件建立了7075铝合金、Ti-6AL-4V钛合金和2024铝合金组成的叠层元件有限元模型，对芯棒挤压和衬套挤压强化过程进行了仿真，分析了不同强化方式下的残余应力分布。分别将叠层元件挤压与单层元件挤压、芯棒挤压与衬套挤压后的残余应力场进行了对比，结果表明叠层挤压与单层挤压无明显区别，对疲劳寿命影响不大；衬套挤压强化效果比芯棒挤压要好。同时，还将仿真结果与X射线衍射测量结果进行了对比，试验测得的残余应力比有限元结果要小，离孔较远处吻合较好。此外，本文还将挤压量和摩擦系数对孔挤压强化过程的影响进行了分析，从分析结果可以看出，挤压量对孔挤压强化残余应力分布有较明显影响，而摩擦系数对孔挤压强化残余应力分布影响很小。　　在残余应力场分析的基础上，本文还对不强化、芯棒挤压和衬套挤压模型施加循环疲劳载荷，得到了加载后的应力和应变。根据确定的危险单元，对低、高两种应力水平下的危险单元分别采用应力疲劳和应变疲劳方法估算了模型的疲劳寿命。　　此外，对不强化、芯棒挤压和衬套挤压三种不同强化工艺后的叠层元件进行了高低两种应力水平下的疲劳试验，比较了芯棒挤压和开口衬套挤压强化工艺对不同材料疲劳寿命的影响。结果表明，衬套挤压的增寿效益比芯棒挤压好，低应力水平下的增寿效益比高应力水平下好，7075铝合金和2024铝合金试件的增寿效益比Ti-6AL-4V钛合金好。最后，还将有限元模拟、估算的结果与试验结果进行了对比，发现试验和计算的疲劳寿命值吻合较好。

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第一章 绪论

1.1 抗疲劳设计思想

1.2 抗疲劳强化工艺

1.3 本文研究背景

1.4 国内外研究现状

1.5 本文研究意义和主要内容

第二章 孔挤压强化有限元分析

2.1 孔挤压强化的基本理论

2.2 有限元理论

2.3 叠层元件有限元建模

2.4 叠层元件残余应力测量

2.5 叠层元件孔挤压强化残余应力分析

2.6孔挤压强化影响因素分析

2.7 本章小结

第三章 孔挤压疲劳寿命的估算

3.1 疲劳寿命基本理论

3.2 低应力水平应力疲劳分析

3.3 高应力水平应变疲劳分析

3.4 本章小结

第四章 叠层元件强化疲劳试验

4.1 疲劳对比试验方法

4.2 试验介绍

4.3 试验数据和结果

4.4 试验结果统计处理与对比分析

4.5 试验结果与仿真结果对比分析

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 主要结论

5.2 研究展望

参考文献

致谢

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