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1、带状钛合金强化结构中扭曲和残余应力对提升损伤容限的影响摘 要结 合 处 裂 纹 阻 滞 剂 的 制 造 过 程 诱 发 的 扭 曲 和 残 余 应 力 已 经 被 研 究 。 钛 合 金带 黏 附 地 结 合 在 铝 合 金 SENT 样 品 上 以 提 升 疲 劳 裂 纹 生 长 阻 滞 。 现 在 已 经 对 三 种不 同 尺 寸 的 影 响 进 行 了 研 究 。 当 解 除 蒸 压 和 残 余 应 力 时 组 件 的 回 弹 是 把 设 计 选 择性 强 化 考 虑 进 去 的 重 要 因 素 ， 因 为 它 可 能 改 变 局 部 气 动 特 性 和 减 少 带 裂 纹 的 跨 隙效

2、 应 。 残 余 应 力 的 首 要 问 题 是 在 原 铝 结 构 中 残 余 应 力 的 拉 伸 性 质 对 原 铝 中 裂 纹 萌生 和 裂 纹 扩 展 行 为 有 负 面 影 响 。 残 余 应 力 用 中 子 衍 射 来 测 量 及 样 品 的 扭 曲 变 形 用轮 廓 线 测 量 仪 来 测 量 。 对 粘 结 过 程 进 行 了 三 维 有 限 元 模 型 的 仿 真 模 拟 。 残 余 应 力在 靠 近 带 的 拉 伸 侧 和 轻 微 地 压 在 没 有 结 合 的 一 侧 被 发 现 。 扭 曲 和 残 余 应 力 都 随 着带 的 厚 度 和 宽 度 增 加 而 增 加 。

3、 发 现 了 标 准 压 力 、 标 准 扭 曲 和 有 限 元 仿 真 之 间 存 在非 常 好 的 一 致 性 。关 键 词 ： 残 余 应 力 ； 中 子 衍 射 ； 结 合 处 裂 纹 阻 滞 剂 ； 有 限 元 分 析1.介绍结构成本和增加使用寿命参量已经改变了在航天和航空工业中新产品的设计流程。他已经从性能至上的方式改变到了顾客至上的方式 1。目标是为了改善性能以延长使用寿命和减少环境影响。随着使用寿命的增加，损伤容限而不是静力强度已经改变了在航空与航天结构设计方面的临界参数。其焦点在于降低结构重量，减少使用材料的成本，降低燃料消耗以及增大有效载荷。在航空航天组件的设计中大的整体结

4、构件的使用可以显著地降低总装配的重量。这样的结构使用新的制造方法，例如以搅拌摩擦焊替代传统连接方法如铆接和螺栓连接。然而，这些结构不包含自然裂 纹 的 阻 塞 物 ， 由 于 他 们本 质 上 是 一 体 式 结 构 。 系 统 可 靠 性 和 损 伤 容 限 规 则 因 此 限 制 了 众 多 的 安 全 因 素 ，这 降 低 了 整 体 结 构 2的 重 量 竞 争 力 。 为 了 避 免 大 的 不 利 安 全 因 素 ， 新 的 裂 纹 迟 滞特 征 不 得 不 成 为 结 构 的 一 部 分 。这 一 工 作 是 对 于 调 查 选 择 性 强 化 的 可 能 性 以 增 强 航 空

5、 航 天 组 件 的 可 靠 性 和 损伤 容 限 的 研 究 计 划 的 一 部 分 。 由 于 复 合 材 料 的 轻 重 量 ， 高 的 硬 度 和 强 度 ， 航 空 航天 结 构 修 复 中 的 结 合 复 合 材 料 修 补 程 序 已 经 被 成 功 应 用 3。 一 块 粘 合 修 理 片 在 裂纹 尖 部 通 过 在 损 坏 结 构 和 片 之 间 架 压 力 桥 来 减 少 压 力 区 域 。 在 新 的 航 空 航 天 组 件设 计 中 选 择 性 强 化 的 采 用 需 要 对 一 些 因 素 的 更 深 远 的 考 虑 ， 诸 如 在 使 用 寿 命 过 程中 的 裂

6、 纹 桥 机 制 ， 腐 蚀 ， 粘 着 结 合 46的 耐 久 性 及 当 固 化 粘 合 剂 时 引 入 的 残 余 应力 等 。残 余 热 应 力 是 关 心 的 问 题 因 为 相 比 较 于 带 而 言 由 于 低 热 量 膨 胀 金 属 板 中 的 残余 应 力 是 拉 应 力 。 这 个 拉 应 力 区 域 引 起 了 更 高 的 平 均 应 力 -强 度 因 子 和 此 后 更 高 的裂 纹 生 长 速 率 。 关 于 残 余 应 力 区 域 的 详 细 知 识 已 经 被 证 明 是 预 测 焊 接 铝 合 金 片 7中 疲 劳 裂 。纹 生 长 率 最 重 要 的 重 要

7、性 。 残 余 应 力 可 以 通 过 降 低 固 化 温 度 和 减 少 固 化 时 间8降 低 。 这 种 方 法 不 得 不 伴 随 忧 虑 使 用 ， 因 为 这 种 方 法 学 可 能 导 致 降 低 粘 合 处 结构 的 完 整 性 及 粘 结 剂 可 能 在 高 的 使 用 温 度 或 在 热 带 气 候 中 后 续 硬 化 。 Djokic 等 人 9已经 证 明 了 残 余 应 力 可 能 通 过 固 化 流 程 最 佳 化 被 明 显 地 降 低 。 Sablekin 等 人 10已 经应 用 应 变 测 量 仪 测 量 了 残 余 应 变 以 及 面 外 的 挠 曲 量

8、是 由 于 残 余 热 应 变 （ 机 械 翻 译 ）在 一 侧 打 补 丁 的 复 合 材 料 带 拉 伸 试 件 中 部 引 起 的 。 把 残 余 应 力 也 作 为 有 限 元 分 析的 模 型 。 无 应 力 态 温 度 （ 技 术 ） 被 决 定 于 变 更 温 度 值 到 一 个 较 好 的 适 合 的 温 度 以获 得 面 外 挠 曲 量 为 止 。 使 用 这 个 温 度 值 ， 应 用 应 变 仪 测 试 值 一 个 好 的 相 关 系 数 被得 到 。 Sabelkin 等 人 11已 经 进 一 步 证 明 无 应 力 态 温 度 可 以 被 发 现 于 预 测 的 疲

9、 劳裂 纹 生 长 率 数 据 与 实 验 方 法 发 现 在 被 修 补 好 的 结 构 上 的 生 长 率 相 符 合 。这 项 工 作 中 ， 在 一 个 以 不 同 尺 寸 钛 合 金 （ Ti6Al-4V） 带 强 化 的 7085-T7651 铝合 金 SENT（ 侧 边 有 锯 齿 状 的 拉 应 力 ） 试 样 中 面 外 挠 曲 量 和 残 余 应 力 已 经 被 轮 廓测 量 器 和 中 子 衍 射 及 三 维 有 限 元 分 析 模 拟 测 量 出 的 。2.实 验 步 骤2.1 试 样装 配 由 一 个 10mm 厚 ， 400mm 长 及 140mm 宽 的 以 钛

10、合 金 (Ti-6Al-4V)带 强 化 的7085-T7651 铝 合 金 SENT 试 样 构 成 。 在 粘 结 带 之 前 ， 一 个 17mm 长 度 缺 口 被 刻 在SENT 试 样 上 。 带 的 前 沿 位 于 从 SENT 试 样 边 缘 起 37mm 处 ， 因 此 从 缺 口 到 带 的 前沿 距 离 有 20mm。 样 品 的 示 意 图 如 图 1 中 所 显 示 。 相 比 较 于 传 统 片 补 修 试 样 在 试 样缺 口带铝 板图 1.强 化 的 SENT 试 样 示 意 图设 计 方 面 的 最 显 著 性 差 异 是 在 带 和 片 的 下 面 没 有

11、最 初 损 伤 和 裂 纹 。 沿 着 长 度 尺 寸的 方 向 以 下 称 为 纵 向 ， 沿 着 宽 度 尺 寸 的 方 向 以 下 称 为 横 向 以 及 沿 着 贯 穿 尺 寸 的 方向 以 下 称 为 法 线 方 向 。 用 数 字 表 示 ， 厚 度 方 向 是 指 z 轴 ， 0 代 表 没 有 粘 合 的 表 面及 z=10mm 代 表 在 SENT 试 样 与 粘 合 处 粘 结 剂 之 间 的 界 面 。在 这 项 工 作 中 三 种 不 同 的 钛 合 金 带 几 何 体 的 影 响 被 研 究 调 查 。 带 的 长 度 都 是200 mm。 100 mm 宽 2 mm

12、 厚 的 带 被 用 于 强 化 第 一 个 试 样 。 第 二 个 试 样 用 60 mm宽 的 带 强 化 ， 并 且 组 建 了 2 mm 厚 层 。 在 第 一 个 钛 合 金 层 上 面 ， 第 二 层 用 同 样的 粘 合 剂 一 起 加 工 处 理 。 第 三 个 试 样 同 样 被 强 化 两 层 ， 但 是 在 这 个 案 例 中 带 的 宽度 是 20mm。用 于 分 析 的 机 械 性 能 在 表 1 中 给 出 。 热 膨 胀 系 数 (CTE)和 玻 璃 化 转 变 温 度 (Tg)也 在 表 1 中 给 出 。 使 用 的 材 质 属 性 已 经 在 文 献 中 找

13、 到 。 FM94 12的 使 用 性 能 被 假设 为 类 似 于 FM30013 铸 造 性 能 ， 因 为 全 部 材 料 都 是 加 热 定 型 和 环 氧 胶 粘 剂 钢 化（ 此 外 ， 一 个 参 数 化 有 限 元 分 析 研 究 再 次 证 实 在 SENT 试 样 中 粘 结 性 能 对 的 残 余 应力 有 很 小 的 影 响 ） 。表 1机 械 性 能材 料 E（ GPa） 02()C0gTC（ ）Al 71 0.33 23.6 660FM94 2.4213 0.3813 5813 11712Ti 114 0.342 8.6 1668在 粘 结 之 前 ， 铝 合 金

14、SENT 和 钛 合 金 表 面 都 要 进 行 酸 洗 。 BR12714 底 漆 被应 用 于 铝 合 金 的 表 面 防 腐 。 用 FM94 连 接 组 装 并 且 在 120C 下 固 化 1 小 时 。 试 样 在0.28MPa 的 高 压 釜 里 进 行 固 化 。2.2.中 子 衍 射中 子 衍 射 被 确 定 为 无 损 技 术 以 判 定 在 金 属 结 构 中 15的 应 变 。 由 Bragg 16意识 到 晶 面 间 距 可 以 从 衍 射 峰 值 的 位 置 确 定 ：（ 1 d=sin（ ）这 里 d 是 晶 面 间 距 ， 是 中 子 散 射 的 波 长 以 及

15、 是 入 射 线 与 散 射 平 面 的 夹 角 。 材料 里 测 量 方 向 上 的 正 应 变 ( )此 后 能 够 从 以 下 的 表 达 式 计 算 出 ， 如 果 应 力 分 量 ( )d和 无 应 力 态 参 考 试 样 ( )的 晶 面 间 距 都 可 以 被 测 量 出 。0d（ 2 00sin()=1d） 测量值在 SALSA衍射仪上得到，在劳厄 -朗之万研究所 17，格勒诺布尔，法国。铝是面心立方（ FCC）晶体，因此使用（ 3 1 1）面的测量值，因为它给出了一个高的多重性。（ 3 1 1）面的弹性回复也被证实与宏观弹性回复 18关联良好。波长被设定为 1.7埃（ 0.1

16、7nm）以达致有衍射角（ 2 ）接近于 90度的近似立方体量规体积。无应力态晶面间距参考值是在同一批次 SENT试样材料中 3 mm 3mm 3 mm的立方体切片中测量的。在轧制金属板材时由于质地和诱发的各向异性的塑性因素，无应力态试样中晶面间距不得不在三个方向上（纵向的，横向的和贯穿向）测量。为确保量规体积完全在试样里面，一个 1mm 1mm 0.9 mm 的量规测量体积被使用。在强化的 SENT试样中，中子衍射测量值在沿着从缺口尖部裂纹生长方向的位置得到实现，裂纹生长方向穿过了试样的宽度并在三个位置以及三个方向上穿过厚度层 (z = 2.5, 5.0 and 7.5 mm)。适用于纵向测量

17、的机构可以在图 2中看到。对于所有的三个方向使用的量规体积是 2mm 2mm 2.5 mm。使用了两种不同的量规体积的纯铝粉测量得到进行以确保由于改变量规体积衍射仪峰值位置没有变化发生（两种测量值之间的误差处于同一数量级别以作为对独立结果的合适误差）。散射矢量 检波器衍射束 入射光束图2.用于在SALSA 中纵向测量的机构（带有 2层2mm 厚及20mm宽带的SENT试样）2.3.扭曲变形的轮廓测量在 SENT试样的面外位移被测量前后，带有三丰轮廓测量仪（ CMM）的胶粘结带来确定扭曲变形，它是由于锁定在结构内的热应变而引发的。试样在整个背侧表面沿着纵向和横向，在整个背侧表面沿着纵向和横向被测

18、量在 5mm间隔的测量密度的未强化面。3.实验结果3.1. 中子衍射测量结果3.1.1.粘结有 2mm厚及 100mm宽带的试样中的残余应变与应力粘结有 2mm厚及 100mm宽带的 SENT试样在纵向，横向和法线方向的测定的应变如图 35所示。带位于从缺口尖端 20mm到 120mm处。为了方便起见，每一个试样的有限元分析结果也包含在这些及随后的图表中。然而，有限元分析结果将在本文后面讨论。图3. 粘结有2mm厚100mm宽带的SENT试样中纵向的残余弹性应变图4. 粘结有2mm厚100mm宽带的SENT试样中横向的残余弹性应变图5. 粘结有2mm厚100mm宽带的SENT试样中法线方向的残

19、余弹性应变在纵向和横向上相应的应力如图 6和 7中所示。对于所有试样配置法线方向的应力都非常小，为了方便起见忽略不计。图6. 粘结有2mm厚100mm宽带的SENT试样中纵向的残余应力图7. 粘结有2mm厚100mm宽带的SENT试样中横向的残余应力3.1.2.有 4mm厚及 60mm宽带的试样中的残余应力在接下来的截面中，只列出了应力图。为了简洁，应变图已经被忽略。对于带有 2层 2mm厚及 60mm宽的钛合金带强化的 SENT试样，纵向和横向的应力在图 8和图 9中列出。补修位于从缺口尖部 20mm到 80mm处。图8. 粘结有4mm厚60mm宽带的SENT试样中纵向的残余应力图9. 粘结

20、有4mm厚60mm宽带的SENT试样中横向的残余应力3.1.3. 有 4mm厚及 20mm宽带的试样中的残余应力对于带有 2层 2mm厚及 20mm宽的钛合金带强化的 SENT试样，纵向和横向的应力在图 10和图 11中列出。补修位于从缺口尖部 20mm到 40mm处。图10. 粘结有4mm厚20mm宽带的SENT试样中纵向的残余应力图10. 粘结有4mm厚20mm宽带的SENT试样中横向的残余应力对于整个试样，接近于带的一侧应力为拉应力，在没有粘结的一侧为轻微地压应力。这是由于当强化板被强迫地套合在粘结面上时一侧的补丁结构发生弯曲的不对称引起的。它也可以从结果中看出，在纵向和横向上都有一个

21、50MPa大小的拉应力被诱导产生在有 2mm厚及 100mm宽带的试样中（图 6和图 7）。在粘结有 2层 2mm厚及 60mm宽带的试样中的应力是有相同的数量级的，然而在粘结有 20mm宽层地 SENT试样中的应力被显著降低大约在带的下侧有 35MPa（图 10和图 11）。在 SENT试样中较宽的带将诱发更大的弯曲力矩以及因此更大的应力。3.2.轮廓测量结果对于在强化试样的宽度中心位置由沿着金属板一头到另一头的残余应力引起的面外偏差在图 12a中给出。可以得出较宽带比较窄带会引起更大的面外偏差。从缺口尖端沿着整个宽度方向测定的面外偏差在图 12b中给出。粘有较窄带的试样在这一方向上仅仅引起局部轻微偏差，因为板仅仅在粘有带的这一方向上损坏。图 12.由在强化 SENT试样（ a）中沿着宽度中心穿过整个长度（ b）为路径的残余应力引起的从缺口尖端沿着整个宽度的扭曲变形4.有限元程序在固化后的二次加热之上，残余热应力变为 0的温度被指为无应力态温度（ ）。在此温度之下，残余热应变被锁定在结构中及诱发了残余应力。如果sfT粘结剂在 以下固化， 无应力态温度常常与玻璃化转变温度（ ） 19， 20相一g gT致。对于整个系统在高于固化温度的地方， 被视为等同于固化温度（ ）21。sfTc