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钛合金焊接接头疲劳损伤模型研究

邬华芝  
【摘要】: 随着航空科技的飞速发展,要求提供推重比越来越高的航空动力。上世纪以来,整体焊接叶盘已在新研制的航空发动机上应用。目前,航空发动机整体焊接叶盘应用中尚存在的问题之一是焊接结构疲劳寿命的预测问题。本课题以航空发动机压气机叶盘常用材料钛合金(TC11)电子束焊构件为研究对象,对焊接接头的疲劳破坏行为,基于损伤力学理论分析其疲劳损伤演化规律,应用现代数学的新概念——分形几何学理论,建立宏观参量与细观损伤特征相联系的疲劳损伤模型,研究疲劳断口分维数测量方法以及分形损伤变量与疲劳寿命之间的关系,建立焊接接头疲劳损伤分形演化方程。对焊接结构疲劳寿命的预测有重要理论意义和实际应用价值。其创新点主要有: 1.采用分形维数定义了结构疲劳分形损伤变量,根据疲劳裂纹的分形扩展特点,建立了宏细观统一的结构疲劳损伤分形演化模型。该模型既反映了损伤细观结构的特性,又便于宏观参量的分析和研究 2.根据疲劳试验结果,获得了TC11钛合金焊接接头的疲劳特性,即最大加载应变与疲劳寿命的关系曲线。根据疲劳断口分维数的测量结果,获得了TC11钛合金焊接接头断口分维数与其疲劳寿命的关系曲线,以及断口分维数与最大加载应变之间的关系曲线,给出了进一步疲劳寿命预测的方法。 3.根据结构疲劳损伤分形演化模型,通过对TC11钛合金焊接试件的疲劳试验和疲劳断口分维数测量,得到了宏观损伤变量和分形损伤变量与疲劳寿命的关系,建立了TC11钛合金焊接接头的疲劳损伤演化方程。给出了进一步疲劳损伤量预测的方法。 4.金属疲劳断口分维数测量方法的研究是目前材料性能分析研究中的前沿课题。研究表明:放大倍数和测量码尺的选择因材料结构而异,对测量结果影响很大。本文应用数据处理技术研究了疲劳断口分维数测量中电镜放大倍数及测量码尺的选择问题,改进了二次电子线扫描分维数处理方法,并成功地应用于钛合金焊接接头断口分维数的测量,得到了有价值的分维数测量参数的选择范围,对进一步的研究具有重要意义。 本文研究表明:采用分维数定义损伤变量,建立结构的宏细观疲劳损伤演化模型,尤其是对于TC11钛合金这样的高强度材料结构,损伤量变化不易宏观测量,可以通过断口分维数与结构寿命关系的研究,有效地反映疲劳损伤过程。因此,它是一种研究焊接结构疲劳损伤过程的新途径。本文的研究结果,对航空发动机整体焊接叶盘疲劳寿命的预测具有重要意义和应用参考价值。


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