论文部分内容阅读
钛合金扩散焊接头性能优良并能够有效减轻结构重量、降低制造成本,因而在航空制造中得到了广泛的应用。钛合金扩散焊构件在实际工作中往往承受复杂载荷作用,一旦产生裂纹,其扩展将呈复合型模式。研究复合型加载条件下的疲劳裂纹扩展规律对于准确评估钛合金扩散焊结构的疲劳寿命具有重要意义。本文以TC4扩散焊接头拉剪复合载荷下的疲劳裂纹扩展试验为基础,结合理论计算及数值模拟对I-II复合型疲劳裂纹扩展行为开展了研究。论文首先对I、II复合型裂纹尖端应力强度因子进行研究。基于相互作用积分法对CTS试样开展了不同加载角度及裂纹长度下I-II复合型应力强度因子有限元模拟计算,考查了不同边界加载方式对模拟结果的影响,并与解析解进行了对比。对I-II复合型裂纹初始状态下的应力强度因子进行了初步分析,得到了I、II型应力强度因子所占比例与加载角度和裂纹长度的关系。在上述基础上,对有限元模拟计算结果进行拟合,得到了CTS试样I-II复合型裂纹标准化应力强度因子公式。论文设计并加工了TC4扩散焊接头CTS试样。开展了5种加载角度下的I-II复合型疲劳裂纹扩展试验。试验结果发现,在加载角度小于45度时,裂纹均沿焊缝扩展至断裂,当加载角度大于等于45度时,裂纹倾向于向母材扩展。使用电子显微镜结合电位法获得了裂纹扩展a-N曲线。基于应变能释放率对I-II复合型裂纹扩展过程进行了分析,以应变能释放率幅值为参量拟合得到了不同加载角度及载荷下各试件I-II复合型疲劳裂纹扩展速率方程。基于Pairs公式,考虑II型裂纹所占权重引入复合比μ,并在此基础上建立了TC4扩散焊接头不同加载角度及载荷下I-II复合型疲劳裂纹扩展速率统一模型。最后,论文采用XFEM对不同加载角度下TC4扩散焊接头开展了I-II复合型疲劳裂纹扩展数值模拟。对纯I型及小角度加载下CTS试样I-II复合型疲劳裂纹扩展历程及扩展寿命进行了预测,模拟计算得到的a-N曲线与试验结果吻合度较好;此外,对大角度加载下的CTS试样I-II复合型疲劳裂纹扩展路径进行了模拟预测,并与最大周向应力准则预测值及试验结果进行了对比,误差在可接受范围内。