專利名稱：一種耳片連接件疲勞裂紋擴(kuò)展的試驗(yàn)分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)的試驗(yàn)分析方法，特別涉及一種耳片連 接件疲勞裂紋擴(kuò)展的試驗(yàn)分析方法，提供了多種典型耳片連接件在不同方向載荷下的應(yīng) 力強(qiáng)度因子表達(dá)式和一套耳片連接件疲勞試驗(yàn)的夾具裝置。
背景技術(shù)：
耳片結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備中。目前在損傷容限設(shè)計(jì)分析方面，只能解 決直耳片受縱向拉載荷的情況，對(duì)于耳片連接件受斜載荷的情況，沒(méi)有合適的模型方法 來(lái)確定裂紋擴(kuò)展特性和剩余強(qiáng)度要求，這就需要通過(guò)理論與試驗(yàn)分析進(jìn)行研究，相應(yīng)的 夾具設(shè)計(jì)是試驗(yàn)分析研究的基礎(chǔ)，求出耳片連接件的應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式是研究其疲勞 斷裂特性的關(guān)鍵。在國(guó)內(nèi)，對(duì)于典型結(jié)構(gòu)部件的損傷容限特性分析工作已取得一定進(jìn)展，并且制 定了相關(guān)的損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和分析方法，出版了相應(yīng)的損傷容限設(shè)計(jì)手冊(cè)及指南。對(duì) 連接耳片結(jié)構(gòu)也做了一定的損傷容限分析。西北工業(yè)大學(xué)李亞智，黃其青，傅祥炯及中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所鄭旻仲等人提出 了一種含裂紋結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度的估算方法，求出了典型對(duì)稱耳片連接件受縱向拉載的臨界 應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式，通過(guò)表觀斷裂韌度準(zhǔn)則確定的彈性斷裂強(qiáng)度和凈截面全面屈服后 的靜力學(xué)破壞強(qiáng)度的結(jié)合，估算剩余強(qiáng)度許用值，取得很好的預(yù)測(cè)精度。對(duì)于斜耳片或 非對(duì)稱耳片受縱向拉載或斜載的情況，未進(jìn)行探討。黃其青進(jìn)行了對(duì)稱與非對(duì)稱斜削耳 片的危險(xiǎn)部位及應(yīng)力強(qiáng)度因子分析，給出了多種角度載荷作用下應(yīng)力強(qiáng)度因子曲線，但 未給出應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式。《螺栓和耳片強(qiáng)度分析手冊(cè)》制定了耳片、螺栓的強(qiáng)度 分析手冊(cè)和連接件的疲勞分析手冊(cè)，其中給出了影響連接耳片強(qiáng)度和疲勞特性的因素以 及耳片的常見破壞方式等。張樹祥采用折算系數(shù)法對(duì)任意角度受載的耳片進(jìn)行了強(qiáng)度分 析，但這是一種半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法，有時(shí)與實(shí)際相差較大。刁文琦運(yùn)用機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠 性設(shè)計(jì)理論對(duì)某飛機(jī)上耳片接頭的靜強(qiáng)度可靠性進(jìn)行了分析和計(jì)算，而其它方面如疲勞 等問(wèn)題未作進(jìn)一步分析。陳秀華等采用非線性有限元法，運(yùn)用MSCPantnm和MSC Marc 分析某飛機(jī)平尾升降舵鉸鏈接頭耳片在軸向0°，斜向45°和橫向90°三個(gè)方向的承載 能力，并給出對(duì)應(yīng)的極限承載能力和應(yīng)力分布情況，未對(duì)耳片疲勞特性進(jìn)行分析。在國(guó)外，J.Schijve，A.H.W.Hoeymakers對(duì)耳片的疲勞裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行了分 析，ΙΕ.Μοση對(duì)受釘載耳片的疲勞性能進(jìn)行改進(jìn)，A.F.Liu對(duì)斷裂的耳片進(jìn)行了試驗(yàn)與分 析，G.C.Sih，C.T丄i對(duì)孔邊角裂紋的形成與擴(kuò)展進(jìn)行了描述，G.Nicoletto根據(jù)試驗(yàn)對(duì)直 耳片的裂紋形成與擴(kuò)展進(jìn)行了描述，KXathiresan等對(duì)連接耳片的裂紋擴(kuò)展與損傷容限進(jìn) 行了分析與研究。但上述研究均未提出對(duì)稱與非對(duì)稱斜削耳片連接件受縱向拉載或斜載 的應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式。 在疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方面，未見有針對(duì)不同形狀耳片受斜載荷的夾具設(shè)計(jì)。對(duì) 于對(duì)稱與非對(duì)稱直、斜耳片連接件在直、斜載荷作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展分析，國(guó)內(nèi)外尚未見有系統(tǒng)的試驗(yàn)分析研究方法，也未有相應(yīng)的裂紋擴(kuò)展模型。

發(fā)明內(nèi)容
要解 決的技術(shù)問(wèn)題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種耳片連接件疲勞裂紋擴(kuò)展的試 驗(yàn)分析方法，目的在于為耳片連接件的疲勞裂紋擴(kuò)展提供一套可行的、合理的試驗(yàn)與理 論分析方法。技術(shù)方案一種耳片連接件受軸向拉載疲勞裂紋擴(kuò)展的試驗(yàn)分析方法，其特征在于步驟如 下步驟1試驗(yàn)耳片的安裝步驟(a)在耳片一端的孔邊沿徑向加工出深I(lǐng)mm的穿透缺口，其方向垂直于載 荷方向；沿載荷方向?qū)⑷笨谀┒说亩砻娲蚰ス饣?；步驟(b)將耳片缺口端通過(guò)螺栓與裂紋端夾具1的叉耳相連接，另一端與無(wú)裂 紋端夾具2的叉耳連接步驟(c)用試驗(yàn)機(jī)下夾頭夾住裂紋端夾具1的端部，試驗(yàn)機(jī)的上夾頭夾住無(wú)裂 紋端夾具2的端部，并保證兩個(gè)夾頭的對(duì)中線與裂紋端夾具1和無(wú)裂紋端夾具2端部的中 線重合；步驟2利用試驗(yàn)機(jī)在耳片上加載制造疲勞裂紋步驟(a)預(yù)制疲勞裂紋的載荷為等幅譜，正弦波形，載荷峰值采用0.1[P]n，當(dāng) 耳片缺口部位出現(xiàn)0.4mm 0.8mm的初始穿透裂紋即停止預(yù)制疲勞裂紋；步驟(b)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的加載頻率為5Hz，正弦波形；載荷峰值為 0.15[P]n,每隔1000 3000次將頻率降1Hz，得到每次裂紋長(zhǎng)度a和與對(duì)應(yīng)的載荷循環(huán)數(shù) N；所述的[P]n為按截面靜力學(xué)斷裂估計(jì)的破壞載荷；[P]n = [P]ult (1-0.5 ε -0.5 ε 2， 其中[P]ult為無(wú)裂紋時(shí)的破壞載荷，ε是無(wú)量綱裂紋長(zhǎng)度；所述的ε =a/t,其中a為裂紋長(zhǎng)度，t為耳片厚度；所述的[P]ult = KtlObF,其中K。為耳片受軸向拉伸載荷時(shí)的效率系數(shù)，可由 《螺栓和耳片強(qiáng)度分析手冊(cè)》圖2-7至2-12查得，Qb為耳片材料的抗拉強(qiáng)度，F(xiàn)為沿孔
中心的凈面積；所述的F = 2(r2-rit,其中r2為耳孔外徑，T1為耳孔內(nèi)徑；步驟3:對(duì)a-Ν數(shù)據(jù)進(jìn)行“7點(diǎn)法”光滑處理，得到擬合后的裂紋長(zhǎng)度、及對(duì)應(yīng) 的裂紋擴(kuò)展速率CiaAiN1 ；計(jì)算每次裂紋長(zhǎng)度&下應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔΚ，將lg(da/dN) 為縱坐標(biāo)，Ig(AK)為橫坐標(biāo)，通過(guò)最小二乘法擬合直線，可以繪制出疲勞裂紋擴(kuò)展速率 線，S卩l(xiāng)g(da/dN_lg(AK)線；其中Δ/二 F(Aff)V^，F(xiàn)為綜合修正因子，Δ σ為疲勞
載荷峰值下的ο值與疲勞載荷谷值下的ο之差，ο為名義應(yīng)力σ = ^，Ρ為制造該次裂
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紋的載荷，c為耳環(huán)寬度；步驟4:以lg(da/dN-lg(AK)線的斜率為Paris公式中的常數(shù)n，直線與y軸截距即為Paris公式中的常數(shù)C，得到應(yīng)力比R時(shí)耳片的Paris式； 步驟5 根據(jù)得到的Paris公式估算耳片疲勞裂紋擴(kuò)展壽命N。當(dāng)…時(shí)Wf^fc{叫；
權(quán)利要求
1. 一種耳片連接件受軸向拉載疲勞裂紋擴(kuò)展的試驗(yàn)分析方法，其特征在于步驟如下步驟1試驗(yàn)耳片的安裝步驟(a)在耳片一端的孔邊沿徑向加工出深I(lǐng)mm的穿透缺口，其方向垂直于載荷方 向；沿載荷方向?qū)⑷笨谀┒说亩砻娲蚰ス饣徊襟E(b)將耳片缺口端通過(guò)螺栓與裂紋端夾具(1)的叉耳相連接，另一端與無(wú)裂紋 端夾具(2)的叉耳連接步驟(C)用試驗(yàn)機(jī)下夾頭夾住裂紋端夾具(1)的端部，試驗(yàn)機(jī)的上夾頭夾住無(wú)裂紋 端夾具(2)的端部，并保證兩個(gè)夾頭的對(duì)中線與裂紋端夾具(1)和無(wú)裂紋端夾具(2)端部 的中線重合；步驟2利用試驗(yàn)機(jī)在耳片上加載制造疲勞裂紋步驟(a)預(yù)制疲勞裂紋的載荷為等幅譜，正弦波形，載荷峰值采用0.1[P]n，當(dāng)耳片 缺口部位出現(xiàn)0.4mm 0.8mm的初始穿透裂紋即停止預(yù)制疲勞裂紋；步驟(b)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的加載頻率為5Hz，正弦波形；載荷峰值為0.15[P]n， 每隔1000 3000次將頻率降1Hz，得到每次裂紋長(zhǎng)度a和與對(duì)應(yīng)的載荷循環(huán)數(shù)N ；所述的[P]n為按截面靜力學(xué)斷裂估計(jì)的破壞載荷；[P]n = [P]ult(l"0.5e-0.5e2),其 中[P]ult為無(wú)裂紋時(shí)的破壞載荷，ε是無(wú)量綱裂紋長(zhǎng)度； 所述的ε =a/t，其中a為裂紋長(zhǎng)度，t為耳片厚度；所述的[PL = Ktl0bF,其中Ktl為耳片受軸向拉伸載荷時(shí)的效率系數(shù)，可由《螺栓 和耳片強(qiáng)度分析手冊(cè)》圖2-7至2-12查得，Qb為耳片材料的抗拉強(qiáng)度，F(xiàn)為沿孔中心 的凈面積；所述的F = 2(r2-ri)t，其中r2為耳孔外徑，Γι為耳孔內(nèi)徑; 步驟3:對(duì)a-Ν數(shù)據(jù)進(jìn)行“7點(diǎn)法”光滑處理，得到擬合后的裂紋長(zhǎng)度5,·及對(duì)應(yīng)的裂 紋擴(kuò)展速率CiaAiN1 ；計(jì)算每次裂紋長(zhǎng)度5,·下應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔΚ，將lg(da/dN)為縱 坐標(biāo)，Ig(AK)為橫坐標(biāo)，通過(guò)最小二乘法擬合直線，可以繪制出疲勞裂紋擴(kuò)展速率線， 即Ig (da/dN)-Ig(AK)線；其中Δ^ = 7(Δσ)ν^，Ρ為綜合修正因子，Δ σ為疲勞載荷峰值下的ο值與疲勞載荷谷值下的ο之差，ο為名義應(yīng)力σ = ‘，Ρ為制造該次裂紋的let載荷，c為耳環(huán)寬度；步驟4:以lg(da/dN)-lg(AK)線的斜率為Paris公式中的常數(shù)n，直線與y軸截距即 為Paris公式中的常數(shù)C，得到應(yīng)力比R時(shí)耳片的Paris式；步驟5 根據(jù)得到的Paris公式估算耳片疲勞裂紋擴(kuò)展壽命N。當(dāng) η = 2 時(shí)Nc =C1(Acx)2hA ；其中a。為耳片破壞的臨界裂紋長(zhǎng)度，％為初始裂紋長(zhǎng)度，C1=C
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耳片連接件受軸向拉載疲勞裂紋擴(kuò)展的試驗(yàn)分析方法，其特 征在于當(dāng)耳片為直耳片，且0^f U·6或US^?；?實(shí)《20時(shí)，耳環(huán)寬度c = r2-ri，
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耳片連接件受軸向拉載疲勞裂紋擴(kuò)展的試驗(yàn)分析方 法，其特征在于當(dāng)耳片為對(duì)稱斜耳片，且5° <β<45° pg0.1<^<1.6pgl.5<^<3
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耳片連接件受軸向拉載疲勞裂紋擴(kuò)展的試驗(yàn)分析方法，其 特征在于當(dāng)耳片為非對(duì)稱斜耳片，5°《^或32幼5°或G·^；^1M1I5聳《20時(shí)，耳環(huán)寬度^ =hCOS/ ,當(dāng)βι> β2時(shí)，綜合修正因子F = 0.92·-0.079832+1.0716‘/β · far “ fjw · fr ‘3
5. —種耳片連接件受小于45°斜載疲勞裂紋擴(kuò)展的試驗(yàn)分析方法，其特征在于步驟 如下步驟1試驗(yàn)耳片的安裝步驟(a)在耳片一端的孔邊沿徑向加工出深I(lǐng)mm的穿透缺口，其方向垂直于載荷 方向；沿載荷方向?qū)⑷笨谀┒说亩砻娲蚰ス饣?；步驟(b)將耳片缺口端通過(guò)螺栓與裂紋端夾具(1)的叉耳相連接，耳片的另一端通 過(guò)螺栓與卡槽主體(3)斜槽底部的通孔相連接；限寬卡塊(5)置于卡槽主體(3)的斜槽與 耳片(6)之間，通過(guò)擋板(4)進(jìn)行固定；將卡槽主題(3)的矩形凹槽插入無(wú)裂紋端夾具 (2)的叉耳中，通過(guò)螺栓進(jìn)行連接；步驟(C)用試驗(yàn)機(jī)下夾頭夾住裂紋端夾具(1)的端部，試驗(yàn)機(jī)的上夾頭夾住無(wú)裂紋 端夾具(2)的端部，并保證兩個(gè)夾頭的對(duì)中線與裂紋端夾具(1)和無(wú)裂紋端夾具(2)端部 的中線重合；步驟2利用試驗(yàn)機(jī)在耳片上加載制造疲勞裂紋步驟(a):預(yù)制疲勞裂紋的載荷為等幅譜，正弦波形，載荷峰值采用0.1[P]n，當(dāng)耳片 缺口部位出現(xiàn)0.4mm 0.8mm的初始穿透裂紋即停止預(yù)制疲勞裂紋；步驟(b)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的加載頻率為5Hz，正弦波形；載荷峰值為0.15[P]n， 每隔1000 3000次將頻率降1Hz，得到裂紋長(zhǎng)度a與對(duì)應(yīng)的載荷循環(huán)數(shù)N ；所述的[P]n為按截面靜力學(xué)斷裂估計(jì)的破壞載荷；[P]n = [P]ult(l"0.5e-0.5e2),其 中[P]ult為無(wú)裂紋時(shí)的破壞載荷，ε是無(wú)量綱裂紋長(zhǎng)度； 所述的ε =a/t，其中a為裂紋長(zhǎng)度，t為耳片厚度；對(duì)于受斜向拉伸載荷的直耳片，所述的[P]ult = [P]ult?！?Kzsl,其中[P]uM為耳片受軸 向拉伸載荷的[P]ult ； Kzsl為折算系數(shù)，可由《螺栓和耳片強(qiáng)度分析手冊(cè)》圖2-15查得； 對(duì)于受斜向拉伸載荷的斜耳片，所述的[P]ult = [P]ult。-Kzsl · Kzs2,其中[P]uM為耳 片受軸向拉伸載荷的[P]ult ； Kzsl，Kzs2為折算系數(shù)，可由《螺栓和耳片強(qiáng)度分析手冊(cè)》圖 2-15查得；步驟3:對(duì)a-Ν數(shù)據(jù)進(jìn)行“7點(diǎn)法”光滑處理，得到擬合后的裂紋長(zhǎng)度1及對(duì)應(yīng)的 裂紋擴(kuò)展速率(CiaMN)1 ；計(jì)算每次裂紋長(zhǎng)度<3,·下應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值(ΔΚ)，將lg(da/dN) 為縱坐標(biāo)，Ig(AK)為橫坐標(biāo)，通過(guò)最小二乘法擬合直線，可以繪制出疲勞裂紋擴(kuò)展速率 線，SPlg(da/dN)-lg(AK)線；其中A^ = F(ACT)V^，F(xiàn)為綜合修正因子，Δ σ為疲勞載荷峰值下的ο值與疲勞載荷谷值下的ο之差，ο為名義應(yīng)力σ = ‘，Ρ為制造該次裂
6.根據(jù)權(quán)利要求5述的耳片連接件受小于45°斜載疲勞裂紋擴(kuò)展的試驗(yàn)分析方法，
7.根據(jù)權(quán)利要求5述的耳片連接件受小于45°斜載疲勞裂紋擴(kuò)展的試驗(yàn)分析方 法，其特征在于當(dāng)耳片為對(duì)稱斜耳片，0°或5°或或
8.根據(jù)權(quán)利要求5述的耳片連接件受小于45°斜載疲勞裂紋擴(kuò)展的試驗(yàn)分析 方法，其特征在于當(dāng)耳片為非對(duì)稱斜耳片，5°或或1·5<^·?；?钚<20時(shí)，耳環(huán)寬度c = "^"，當(dāng) ^〉^時(shí)，綜合修正因子
全文摘要
本發(fā)明涉及一種耳片連接件疲勞裂紋擴(kuò)展的試驗(yàn)分析方法，技術(shù)特征在于將試驗(yàn)耳片的安裝在試驗(yàn)機(jī)上，然后在耳片上加載制造疲勞裂紋，采用直耳片受縱向拉載、直耳片受小于45°斜載、對(duì)稱斜耳片受縱向拉載、對(duì)稱斜耳片受小于45°斜載、非對(duì)稱斜耳片受縱向拉載、非對(duì)稱斜耳片受小于45°斜載的應(yīng)力強(qiáng)度因子求得相應(yīng)的ΔK，以lg(da/dN)-lg(ΔK)線的斜率為Paris公式中的常數(shù)n，直線與y軸截距即為Paris公式中的常數(shù)C，得到應(yīng)力比R時(shí)耳片的Paris式；根據(jù)得到的Paris公式估算耳片疲勞裂紋擴(kuò)展壽命NC。本發(fā)明適用性廣，對(duì)于研究各種受載條件下的耳片孔邊疲勞裂紋擴(kuò)展特性有一定的指導(dǎo)作用。
文檔編號(hào)G01N3/08GK102023116SQ20101050794
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月14日
發(fā)明者伍黎明, 何宇廷, 周瑞祥, 安濤, 張登成, 王卓健, 郭基聯(lián) 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍空軍工程大學(xué)