热振耦合环境TC4钛合金铆接结构振动疲劳对比试验研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月应用力学学报 .收稿日期:修回日期:基金项目:陕西省自然科学基础研究计划资助项目(.)通信作者:刘江华高级工程师:.引用格式:刘江华吕锦锋赵楠等.热振耦合环境 钛合金铆接结构振动疲劳对比试验研究.应用力学学报():.():.文章编号:()热振耦合环境 钛合金铆接结构振动疲劳对比试验研究刘江华吕锦锋赵楠王纯(.航空工业第一飞机设计研究院 西安.中国飞机强度研究所 西安)摘 要:钛合金材料在飞机结构设计中有着广泛的应用在恶劣的振动和热耦合环境中容易发生热振耦合疲劳破坏振动疲劳破坏严重影响飞机的飞行安全 为了获得热振耦合环境下较优的钛合金结构设计细节形式设计了热振耦合振动疲劳试
2、验件和试验系统在 温度条件下进行了 钛合金材料蒙皮 不同结构形式支撑和不同铆钉形式(半圆头铆钉和平头抽芯铆钉)铆接试验件进行振动疲劳试验 对试验结果数据统计归纳、对比得出:同结构类型试验件宽度相同、铆钉(抽钉)数量相同平头抽钉连接试验件固有频率相对较高而试验件宽度相同、铆钉类型相同、铆钉数量不同铆钉数较多的试验件固有频率较高半圆头铆钉连接件破坏多数表现为铆钉脱落抽芯铆钉连接件破坏表现为蒙皮裂纹抽芯铆钉相比半圆头铆钉连接件其振动疲劳寿命较长试验分别用 倍铆钉直径间距和 倍铆钉直径间距抽芯铆钉连接结构作对比 倍铆钉直径间距试验件振动疲劳寿命较长 这些试验结论可以作为飞机结构设计中薄壁结构设计的重要
3、参考关键词:钛合金振动疲劳热振耦合铆钉薄壁结构中图分类号:.文献标志码:./.(.):.().:应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 .、.:钛合金以其强度高、密度小、抗腐蚀性能强、耐热性能好、焊接性能好、无磁性和疲劳强度高等特性在航空、航天和航海等领域中获得了广泛的应用 这些结构在恶劣的振动和热耦合环境中容易发生热振耦合疲劳破坏 钛合金是钛合金中使用最广泛、最成熟的 型两相钛合金 在所有钛合金使用中 合金用量超过是钛合金中用量最大的合金并且 可通过热处理在很大范围内控制其显微组织从而改变其疲劳性能应用领域不断拓宽 工程师和学者对钛合金疲劳特性的研究成为一个重要的研
4、究领域尤其是振动疲劳(高周疲劳)研究成为近年来一个热点方向文献对 钛合金疲劳行为进行研究试验结果表明 钛合金的 曲线不出现呈水平线的疲劳极限通过高周振动疲劳试验获得振动疲劳 曲线非常必要 文献对钛合金振动疲劳性能进行了研究并且通过激光冲击强化对钛合金疲劳特性影响做了研究认为激光冲击强化可提高 的振动疲劳寿命并且具有可控性更强的优势 为了使钛合金高周疲劳节约时间成本文献使用超声疲劳试验机进行高周疲劳试验试验加载频率达到 试验未考虑高频振动试验件产生的热效应对疲劳结果的影响 文献提出试验件尺寸优化设计方法对超声振动疲劳试验件进行了优化 为了避免 的高频振动中试验件过热对振动疲劳结果可靠性影响且兼顾
5、节约试验时间成本文献设计了非标振动疲劳试验件试验件一阶弯曲固有频率为 获得钛合金材料 应力循环对应的应力水平 文献对 钛合金振动疲劳裂纹扩展进行了试验研究并且发展了振动疲劳剩余寿命预测模型通过试验发现振动疲劳裂纹在.时裂纹扩展速率明显增大大应力状态下疲劳裂纹扩展速率更快裂纹扩展的趋势基本呈指数性增长并且针对特定试验件建立了裂纹长度与一阶固有频率的关系将一阶固有频率作为裂纹长度的检测方法 随着钛合金在航空航天领域高温/强振环境下的广泛应用人们开始研究高温环境下钛合金的振动疲劳特性以及温度对裂纹扩展速率的影响 研究结果表明相比常温条件高温条件下钛合金材料寿命有所降低且疲劳裂纹扩展速率较快多数关于钛
6、合金疲劳性能的研究主要针对钛合金材料本身认为材料为均匀且连续介质不考虑材料缺陷(如表面划痕、制造缺陷、金属夹杂、腐蚀等)对疲劳特性的影响也未考虑机械连接细节对材料疲劳性能的影响 英国工程数据库 在通过试验获得结构振动疲劳 曲线时不仅通过试验获得材料自身振动疲劳 曲线还针对工程设计中的各种结构设计提取结构细节设计试验获得不同结构细节的振动疲劳 曲线本研究参考 考虑结构设计细节对振动疲劳影响的试验方法设计试验件加热装置并确定加热方案通过试验研究钛合金铆钉连接件在 条件下不同结构形式、不同铆钉和铆钉间距对振动疲劳寿命的影响 试验结论可以作为飞机薄壁结构设计的重要参考 试验件设计根据飞机设计中钛合金蒙
7、皮与蒙皮加筋结构形式提取了 种蒙皮加筋结构其截面分别为 形、形和 形结构为试验方便将钛合金蒙皮加筋结构第 期刘江华 等:热振耦合环境 钛合金铆接结构振动疲劳对比试验研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报作为蒙皮支撑试验件设计正视图如图 所示 支撑与蒙皮之间使用铆钉连接分为半圆头铆钉和平头抽芯铆钉铆钉直径 其中 形支撑和 形支撑与蒙皮连接铆钉之间距离为 用于比较半圆头铆钉和抽芯铆钉连接对试验件振动疲劳寿命的影响 形支撑与蒙皮之间连接铆钉距离为 和 两种规格用于比较半圆头铆钉和抽芯铆钉连接以及铆钉间距对试验件振动疲劳寿命的影响图 试验件设计示意图.设计试验件时取.厚度 钛合金蒙皮 形和 形支
8、撑厚度取.形支撑厚度取.以试验件一阶对称弯曲固有频率为 左右为设计目标 利用.软件建立有限元模型四边形壳元模拟蒙皮和支撑蒙皮与支撑之间的铆钉使用刚性元 模拟图 所示为三类结构有限元模型蒙皮与支撑均以 个铆钉(铆钉间距)连接支撑高度 边界条件使用固支约束支撑底部约束由底部向上 材料 条件下弹性模量取 泊松比取.密度取 /使用.分析软件计算结构固有频率一阶对称弯曲固有频率以及试验件蒙皮设计尺寸统计如表 所示图 试验件有限元模型.表 试验件设计特征统计表.序号支撑形式蒙皮设计尺寸/支撑厚度/固有频率/铆钉形式铆钉间距 .抽钉、铆钉 .抽钉、铆钉 .抽钉、铆钉、试验系统试验系统由试验件、热载荷和振动载
9、荷施加装置组成在试验件根部开孔通过螺栓将试验件固支在夹具上夹具底板通过螺栓与振动台连接 三类试验件设计共用试验夹具底座图 所示为 形支撑试验件在振动台上固定示意图试验件投影面积为 根据试验件的形状、尺寸大小和加热温度要求()采用石英灯作为加热元 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报件设计 个平板型加热器灯管面积为 大于试验对象的尺寸可保证试验件受热均匀 类试验件投影面积差异可以通过改变石英灯与试验件的距离实现对试验件温度的调节 加热石英灯由电功率调节装置供电其所发出的辐射热由温度传感器接收经放大后输入计算机进行比较、运算和校正调节后的控制信号输给电功率调节装置改变加
10、于石英灯两端的电压值从而控制辐射热流密度的大小 振动载荷施加采用闭环控制控制点位于试验夹具靠近试验件的位置 试验中为防止接地回路干扰控制传感器螺接到绝缘块上再通过绝缘块连接到控制点上 试验时将振动控制仪生成的驱动信号通过功率放大器逐级放大然后驱动振动台工作同时控制点的响应信号反馈至控制仪将其与设定好的参考谱进行比较、修正得出新的驱动谱如此反复进行使控制谱达到并满足试验控制要求 试验夹具和加热装置设计示意图如图 所示试验系统如图 所示 经过试验系统设计准备表 所示试验设备和测试设备用于试验所有设备均经过计量标定且在有效期内图 试验夹具和加热装置设计示意图.图 热振耦合振动疲劳试验系统示意图.表
11、试验设备.名称型号主要指标数量振动台系统最大推力:最大加速度:振动控制仪最大谱线数:线加速度传感器最大测量加速度:应变片灵敏系数:.激光测振仪 位移分辨率.数显卡尺测度值:.加温加载控制系统 型 通道/模态测试系统 通道.并行东华数采系统最大采样频率:照相机有效像素:万焦距.第 期刘江华 等:热振耦合环境 钛合金铆接结构振动疲劳对比试验研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 试验程序热振耦合振动疲劳试验包括热载荷标定、模态测试、振动载荷标定以及振动疲劳试验.热载荷标定如图 所示在试验件长度方向轴线上布置 个热电偶得到试验件温度梯度 调整石英灯和试验件相对位置使试验件表面的温度梯度最小 在
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