基于擴(kuò)展有限元的鈦合金層合結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展特性研究

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1、成形組織結(jié)構(gòu)與性能測試FORMINGMICROSTRUCTUREANDPERFORMANCETEST*基于擴(kuò)展有限元的鈦合金層合結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展特性研究XFEM-BasedAnalysisforCrackGrowthCharacteristicofDiffusionBondedLaminateofTitanium-Alloy中航工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所肖　山　畢金英　孫彥鵬[摘要]基于擴(kuò)展有限元方法研究含預(yù)置分層的展壽命盡可能地提高。鈦合金層合板在拉-拉循環(huán)荷載作用下的疲勞裂紋擴(kuò)研究發(fā)現(xiàn)利用擴(kuò)散連接工藝制造的鈦合金層合板展

2、特性，并通過與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證該方法[2-3]的DB界面對(duì)疲勞裂紋的擴(kuò)展有顯著的抑制作用。對(duì)鈦合金層合結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展分析的適用性。文獻(xiàn)[2]通過試驗(yàn)對(duì)比分析了疲勞裂紋在擴(kuò)散連接工關(guān)鍵詞：鈦合金層合板預(yù)置分層疲勞裂紋擴(kuò)展藝成型的TC4層合板與TC4普通板材內(nèi)的擴(kuò)展情況，擴(kuò)展有限元發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散連接成型件疲勞斷口的裂紋沿與連接面約成[ABSTRACT]Theinvestigationoffatiguecrack60°方向擴(kuò)展，其抵抗疲勞斷裂的阻力增大，剩余壽命growthcharacteristicsofdiffu

3、sionbondedlaminatesof比相同裂紋長度下的普通板材要好。文獻(xiàn)[3]通過試驗(yàn)TC4titanium-alloywithlocalizednon-weldedareaunder研究了在DB界面人為預(yù)置分層的含孔鈦合金層合板tension-tensioncyclicloadingiscarriedoutusingnumeri-在拉-拉循環(huán)載荷作用下的裂紋擴(kuò)展特性，試驗(yàn)結(jié)果表calsimulationtechniquesbasedonextendedfiniteelement明，預(yù)置分層能夠改善鈦合金層合板

4、的裂紋擴(kuò)展特性。method(XFEM).Thecomparisonofthenumericalresults分層的存在會(huì)降低結(jié)構(gòu)的承載能力，但另一方面，andtheexperimentalresultsshowthatextendedfiniteele-也可能抑制裂紋的擴(kuò)展，提高結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展壽mentmethod(XFEM)isaneffectivenumericalmethodfor命。文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)果說明，通過合理布置分層可以thefatiguecrackgrowthcharacteristicsan

5、alysis.提高鈦合金疲勞裂紋的擴(kuò)展壽命。實(shí)現(xiàn)分層的合理布Keywords:Titanium-alloylaminatesNon-welded置需要準(zhǔn)確把握分層對(duì)裂紋擴(kuò)展性能的影響規(guī)律。目areaFatiguecrackgrowthlifeExtendedfiniteele-前，對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律的研究大多通過試驗(yàn)進(jìn)行。影mentmethod(XFEM)響疲勞裂紋擴(kuò)展的因素有很多，直接通過試驗(yàn)對(duì)裂紋擴(kuò)DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2015.17.086展過程進(jìn)行系統(tǒng)研究是非常困難的，需要

6、研究基于數(shù)值模擬技術(shù)的疲勞裂紋擴(kuò)展分析方法。鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐久性強(qiáng)、抗蠕變、可焊接等[4]擴(kuò)展有限元法（XFEM）通過在單元位移插值函[1]優(yōu)異的綜合性能，因此在航空領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)中引入間斷函數(shù)和增強(qiáng)函數(shù)以描述位移場的不連續(xù)但常規(guī)鈦合金制成的結(jié)構(gòu)中一旦出現(xiàn)損傷，剩余的疲勞性和奇異性，在分析不連續(xù)問題方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。經(jīng)裂紋擴(kuò)展壽命就會(huì)較短，不適用于損傷容限設(shè)計(jì)。因此，過近幾年的改進(jìn)與發(fā)展，XFEM方法在處理不連續(xù)問題需要研發(fā)提高鈦合金損傷容限壽命技術(shù)。目前，國內(nèi)外上已經(jīng)取得一些成果。裂紋是典型的不連續(xù)問

7、題，擴(kuò)展學(xué)者經(jīng)過大量研究，已經(jīng)制備出多種損傷容限型鈦合金有限元方法將是一種有效的研究疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律的材料，并應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)。方法?，F(xiàn)代飛行器設(shè)計(jì)中損傷容限的設(shè)計(jì)思想要求：結(jié)構(gòu)存在疲勞、腐蝕或意外損傷等損傷缺陷，直至被檢測或1基于擴(kuò)展有限元的裂紋擴(kuò)展分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)修理之前，結(jié)構(gòu)仍然具有足夠的剩余強(qiáng)度和足1.1含裂紋體擴(kuò)展有限元方法簡介夠的剩余壽命。即當(dāng)結(jié)構(gòu)中存在疲勞裂紋時(shí)，疲勞裂紋XFEM的擴(kuò)充項(xiàng)可以對(duì)單元內(nèi)部任意位置存在的達(dá)到可檢長度后的疲勞擴(kuò)展壽命要足夠長。這就要求裂紋或材料界面等非連續(xù)性和奇異性場進(jìn)行準(zhǔn)確描述

8、，在利用損傷容限型鈦合金的基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面也因此分析時(shí)采用的網(wǎng)格可以與結(jié)構(gòu)的幾何或者物理界需要考慮損傷容限設(shè)計(jì)思想，使疲勞裂紋在結(jié)構(gòu)內(nèi)的擴(kuò)面無關(guān)，避免了傳統(tǒng)有限元在對(duì)裂尖或者材料界面等問題描述時(shí)必須采用高密度網(wǎng)格的弊端。XFEM繼承了*　基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)發(fā)展（973）計(jì)劃項(xiàng)目（2011CB61XXXX）。常規(guī)有限元(CFEM)的所有