本發(fā)明(普通發(fā)明)提供一種基于飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材的金屬材料性能評價(jià)方法，屬飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

金屬材料仍是航空主結(jié)構(gòu)的基石，材料是結(jié)構(gòu)之本。而拉伸破壞是航空結(jié)構(gòu)破壞的主要形式。在研究破壞機(jī)理基礎(chǔ)上，科學(xué)地提供符合破壞過程的斷裂準(zhǔn)則，作為選材和結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)是十分迫切的。

現(xiàn)有的破壞準(zhǔn)則主要有σ_b準(zhǔn)則、K_IC準(zhǔn)則。

靜強(qiáng)度拉伸破壞準(zhǔn)則——σ_b準(zhǔn)則表述為公式(1)：

$\mathrm{\σ}\≤\left[\mathrm{\σ}\right]=\frac{{\mathrm{\σ}}_b}{k}$(k為安全系數(shù)) (1)

靜強(qiáng)度拉伸破壞準(zhǔn)則已有超過半個(gè)世紀(jì)的應(yīng)用歷史，它既有大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持，又有龐大、可靠的計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)對應(yīng)力的精確分析。人們對它的依賴和信任已深信不疑。隨著人們認(rèn)識的深入和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，σ_b準(zhǔn)則在工程應(yīng)用實(shí)踐中的局限性和缺陷逐步被認(rèn)識和證實(shí)，主要表現(xiàn)為：

1)σ_b是一個(gè)與斷裂無直接關(guān)系的量

拉伸斷裂過程有三個(gè)階段，線彈性、均勻塑性變形和頸縮斷裂。采用應(yīng)力σ的概念，只有在線彈性階段是合理的，而在塑性變形階段，它只能反映其中的線彈性部分，無法反映對斷裂起更大作用的塑性性能。而且σ_b只是均勻塑性變形最大值對應(yīng)的應(yīng)力值，與接著的頸縮斷裂無關(guān)。

2)σ_b是一個(gè)具有苛刻條件的量

σ_b對多個(gè)因素敏感性很強(qiáng)的材料常數(shù)，這些因素包括：合金成份及熱處理制度(CH)，載荷類型及加載速度(F)，溫度及環(huán)境(T)，厚度、切槽、各類損傷(G)，這些因素可以表述為公式(2)的函數(shù)的形式：

σ_b＝f(CH,F,T,G) (2)

①合金成分的變化當(dāng)然會引起σ_b的極大變化，即使成分不變，熱處理制度可以使材料高脆性、高強(qiáng)度(如淬火)也可以變?yōu)楦唔g度、低強(qiáng)度(如高溫回火)；

②沖擊載荷、三向受力都會使材料σ_b大幅度提高；

③低溫下，材料σ_b也會大幅度提高，多數(shù)材料韌度降低；

④切槽根部呈現(xiàn)三維受力，該處的σ_b顯著提高。在結(jié)構(gòu)中遭遇到的各類損傷，則遠(yuǎn)不是σ_b可控制的；

在工程結(jié)構(gòu)服役過程中，這些因素不可避免地會限制σ_b準(zhǔn)則的應(yīng)用范圍。

1)安全系數(shù)k(在航空結(jié)構(gòu)常取k≥1.5)

對一些脆性材料而言，由于對損傷的敏感性，更大的安全系數(shù)都難以保證安全，而對一些韌性強(qiáng)的材料，k＝1.5又過于保守，造成結(jié)構(gòu)效率低下。

2)采用σ_b準(zhǔn)則設(shè)計(jì)不能保證航空結(jié)構(gòu)的安全

由于σ_b準(zhǔn)則并不能反映斷裂的本質(zhì)，σ_b對多因素敏感卻忽視韌性的巨大作用，特別是對服役期內(nèi)各種損傷無所作為。在歷史上采用該準(zhǔn)則已導(dǎo)致不少災(zāi)難性事件。

對于飛機(jī)結(jié)構(gòu)保持一定量的強(qiáng)度是十分必要的，它應(yīng)當(dāng)是材料拉伸破壞準(zhǔn)則的一個(gè)重要組成部分。

從外載荷傳遞到內(nèi)部應(yīng)力σ，是屬于剛體或彈性體的傳遞，是準(zhǔn)確的。由于結(jié)構(gòu)中絕大部分應(yīng)力都處于線彈性階段，它們的表達(dá)都是正確的。但單獨(dú)地把它作為靜強(qiáng)度準(zhǔn)則使用，則是不夠的。

線彈性破壞準(zhǔn)則——K_IC準(zhǔn)則表述為公式(3)：

K_I≤K_IC (3)

斷裂力學(xué)從更深層次上認(rèn)識材料與結(jié)構(gòu)損傷及破壞機(jī)理，它突破了單純依靠應(yīng)力σ的傳統(tǒng)作法，采用了K因子度量裂紋尖端的場強(qiáng)度概念，融入了損傷量的影響。發(fā)展的K_I≤K_IC和為結(jié)構(gòu)耐久性、損傷容限奠定了基礎(chǔ)，對推動航空結(jié)構(gòu)從規(guī)范、適航條例，到設(shè)計(jì)、分析、選材、工 藝、試驗(yàn)、管理、維修都發(fā)生了歷史性重大變革。K_IC的積極作用主要表現(xiàn)為：

1)K_IC雖然不能直接用于剩余強(qiáng)度分析，但卻是結(jié)構(gòu)元件綜合破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則的重要組成部分；

2)K_IC是抗拉伸破壞最優(yōu)性能選擇的最重要指標(biāo)。當(dāng)材料合金成份基本固定，或微調(diào)合金成份，或改變熱處理制度，微調(diào)σ_b值(降低或提高)，使K_IC＝(K_ICi)_max，獲得該組材料的最佳性能。

3)一般地說，材料具有高K_IC值，也意味著具有高的斷裂韌性K_C值和較低的裂紋擴(kuò)展速率值。

當(dāng)然，線彈性斷裂破壞準(zhǔn)則也是有局限性的，表現(xiàn)為：

①線彈性斷裂力學(xué)K因子是在裂尖場1/2奇異性這一理論狀態(tài)為基礎(chǔ)的，它僅與理想裂紋、脆性破壞狀態(tài)相吻合，幾乎所有工程材料都不嚴(yán)格滿足這一條件。

②K因子不能分辨不同三維度下應(yīng)力場的區(qū)別(平面應(yīng)力和平面應(yīng)變K因子是一樣的)，更無法反映進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)各自的復(fù)雜變化規(guī)律。

③K_I≤K_IC破壞準(zhǔn)則，表面上看來是一個(gè)以K_IC試驗(yàn)為基礎(chǔ)的材料破壞準(zhǔn)則，和σ_b準(zhǔn)則類似，也并不能完全適用于分析航空結(jié)構(gòu)。不能用K_I因子分析剩余強(qiáng)度。在剩余強(qiáng)度分析中，仍須采用實(shí)驗(yàn)的方法擬合一條剩余強(qiáng)度曲線供分析用。

采用靜強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則和線彈性破壞準(zhǔn)則進(jìn)行選材和金屬材料性能評價(jià)時(shí)，針對金屬材料多個(gè)獨(dú)立性能參數(shù)的情況，難以直觀判斷材料優(yōu)劣。

文獻(xiàn)《航空材料機(jī)械性能的綜合評價(jià)與分析》中將每一種航空材料看作一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，材料的機(jī)械性能作為其評價(jià)指標(biāo)，構(gòu)成評價(jià)指標(biāo)體系，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材過程看作一決策過程，應(yīng)用目的規(guī)劃法給出若干種材料按其機(jī)械性能的一種排序結(jié)果，根據(jù)排序結(jié)果對每種材料對特定設(shè)計(jì)要求適用度的高低進(jìn)行綜合評判。在對材料評判過程中，材料性能指標(biāo)的選取及其權(quán)重分配十分重要，需要應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法或模糊綜合評判方法來分配權(quán)重。能夠綜合的因素比較全面，得出的結(jié)果比較合理，但該方法與傳統(tǒng)的破壞準(zhǔn)則表達(dá)形式?jīng)]有相似性，權(quán)重選擇高度依賴對統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的積累和綜合評判經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算過程比較復(fù)雜，也不夠直觀。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)發(fā)明目的：

本發(fā)明提供一種基于飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材的鋁合金材料性能評價(jià)的全新、直觀、便捷的方法。

(二)技術(shù)方案：

為了解決以上不足，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種基于飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材的金屬材料性能評價(jià)方法，其特征在于采用以下步驟：

步驟1：定義Z_p為材料的平面應(yīng)變斷裂韌性，其物理意義為裂紋尖端應(yīng)力達(dá)到σ_b的塑性區(qū)范圍，反映材料破壞的時(shí)刻能夠吸納多大范圍的材料以塑性流動的方式產(chǎn)生的阻抗，量綱單位為mm，其表達(dá)式：

$Z_p=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\left(\frac{K_{\mathrm{IC}}}{{\mathrm{\σ}}_b}\right)}^2---\left(4\right)$

步驟2：對候選的待評價(jià)材料，根據(jù)材料的σ_b和K_IC數(shù)據(jù)，依次計(jì)算出各種相近材料的Z_p值，并進(jìn)行排序，淘汰極小Z_p值的材料；

步驟3：根據(jù)材料的Z_p、σ_b和K_IC數(shù)據(jù)，建立評價(jià)結(jié)構(gòu)元件拉伸破壞準(zhǔn)則方程(5)，確定符合要求的材料：

$\mathrm{\σ}\≤{\mathrm{\σ}}_C={\mathrm{\η}}_Q{\left(\frac{A_n}{A_g}\right)}_e{\mathrm{\σ}}_b---\left(5\right)$

式中的參數(shù)分別由式(4)及(6)-(8)給出：

${\mathrm{\η}}_Q=e^{-0.35{\mathrm{\γ}}^{0.3}}+{\left(2S\right)}^8{\mathrm{\γ}}^{-s}---\left(6\right)$

$\mathrm{\γ}=\frac{a_{\mathrm{eff}}}{Z_p}---\left(7\right)$

$S=\frac{1}{2}(1-e^{-0.35{\mathrm{\γ}}^{0.3}})---\left(8\right)$

上述公式中符號定義如下：

σ_C—完整及損傷元件破壞強(qiáng)度，量綱單位為MPa；

—有效靜面積及毛面積之比；

σ_b—材料拉伸均勻塑性變形最大值對應(yīng)的強(qiáng)度值，量綱單位為MPa；

a_eff—當(dāng)量裂紋長度，量綱單位為mm；

K_IC—平面應(yīng)變斷裂強(qiáng)韌度，量綱單位為

Z_p—平面應(yīng)變斷裂韌度，量綱單位為mm；

S—損傷端部變奇異性參數(shù)，S＝0～1/2；

γ—無因次損傷。

(三)有益效果

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：通過定義材料的平面應(yīng)變斷裂韌性Z_p，建立平面應(yīng)變斷裂韌性破壞準(zhǔn)則與平面應(yīng)變斷裂韌性破壞準(zhǔn)則方程，沿用傳統(tǒng)靜強(qiáng)度準(zhǔn)則的形式，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材和新材料研制提供了一種基于飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材的金屬材料性能評價(jià)的全新、直觀、便捷的評價(jià)方法，改善了傳統(tǒng)靜強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則和線彈性破壞準(zhǔn)則金屬材料多個(gè)獨(dú)立性能參數(shù)難以直觀判斷材料優(yōu)劣的缺點(diǎn)，也避免了目的規(guī)劃法與傳統(tǒng)的破壞準(zhǔn)則表達(dá)形式?jīng)]有相似性、權(quán)重選擇高度依賴對統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的積累和綜合評判經(jīng)驗(yàn)、計(jì)算過程比較復(fù)雜、也不夠便捷的不足。

附圖說明

圖1為金屬材料拉伸斷裂Z_p準(zhǔn)則選擇示意圖；

圖2為2B25與相近材料性能對比(K_IC，σ_b，Z_p)示意圖；

圖3為7D04與相近材料性能對比(K_IC，σ_b，Z_p)示意圖；

圖4為7A12與相近材料性能對比(K_IC，σ_b，Z_p)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例1，對國產(chǎn)鋁合金材料2B25(含2B25T351、2B25T3511)損傷容限性能評價(jià)，包括以下步驟：

步驟1：定義Z_p為材料的平面應(yīng)變斷裂韌性。

$Z_p=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\left(\frac{K_{\mathrm{IC}}}{{\mathrm{\σ}}_b}\right)}^2---\left(4\right)$

步驟2：根據(jù)材料的σ_b和K_IC數(shù)據(jù)，依次計(jì)算出2B25-T351、2B25-T3511、2026-T3511、2224-T3511、1161T、2024-T3511、LY12-CZ共7種相近的材料的Z_p值，填入表1中并進(jìn)行排序。

步驟3：7種相近的材料的Z_p值繪制成圖2的材料σ_b-K_IC-Z_p曲線。

步驟4：根據(jù)步驟2、步驟3得到的表1和圖2的結(jié)果，給出2B25材料與相似鋁合金材料損傷容限性能的對比分析結(jié)果。

表1 2B25與相近材料性能對比Z_p準(zhǔn)則排序

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例2，對國產(chǎn)鋁合金材料7D04-T7451、7D04-T74511、1973-T2、7475-T7351、7075-T73511及LC4損傷容限性能評價(jià)，包括以下步驟：

步驟1：定義Z_p為材料的平面應(yīng)變斷裂韌性。

$Z_p=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\left(\frac{K_{\mathrm{IC}}}{{\mathrm{\σ}}_b}\right)}^2---\left(4\right)$

步驟2：根據(jù)材料的σ_b和K_IC數(shù)據(jù)，依次計(jì)算出7D04-T7451、7D04-T74511、1973-T2、7475-T7351、7075-T73511及LC4共6種相近的材料的Z_p值，填入表2中并進(jìn)行排序。

表2 7D04與相近材料性能對比Z_p準(zhǔn)則排序

步驟3：7種相近的材料的Z_p值繪制成圖3的材料σ_b-K_IC-Z_p曲線。

步驟4：根據(jù)步驟2、步驟3得到的表2和圖3的結(jié)果，給出7D04材料與相似鋁合金材料損傷容限性能的對比分析結(jié)果。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例3，對國產(chǎn)鋁合金材料7A12-T73(210mm)、7A12-T73(H112)(300mm)、1933T3、LD5、LD10、7050-T736、7050-T73652及LC9損傷容限性能評價(jià)，包括以下步驟：

步驟1：定義Z_p為材料的平面應(yīng)變斷裂韌性。

$Z_p=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\left(\frac{K_{\mathrm{IC}}}{{\mathrm{\σ}}_b}\right)}^2---\left(4\right)$

步驟2：根據(jù)材料的σ_b和K_IC數(shù)據(jù)，依次計(jì)算出7A12-T73(210mm)、7A12-T73(H112)(300mm)、1933T3、LD5、LD10、7050-T736、7050-T73652及LC9共6種相近的材料的Z_p值，填入表3中并進(jìn)行排序。

表3 7A12與相近材料性能對比Z_p準(zhǔn)則排序

步驟3：7種相近的材料的Z_p值繪制成圖3的材料σ_b-K_IC-Z_p曲線。

步驟4：根據(jù)步驟2、步驟3得到的表2和圖3的結(jié)果，給出7A12材料與相似鋁合金材料損傷容限性能的對比分析結(jié)果。

若還有其他種類的材料需要對比分析和評價(jià)，則重復(fù)前文的步驟1至步驟7。