材料表面及界面疲劳损伤过程的数值描述研究.pdf

首届全国航空航天领域中的力学问题学术研讨会 材料表面及界面疲劳损伤过程的数值描述研究 吴维青 (福州大学中心实验室，福州，350002) 摘璎：用信导处理的方法，通过三点弯曲疲劳试验，结合电子显微镜的微观观测，分别跟踪了材料的组纵界面 和镀层表面，在循环载荷作用下的疲劳损伤产牛与发展过程。试验结果表明：用信号分析的方法确定的损伤参 数，能够以数字描述的方式．定量在线监测材料镀层表面或组织界面的疲劳损伤开裂过程。 关键词：系统分析疲劳损伤 取将实测数据与数学模型计算结果的比较，并将 1、前言 误差进行实时反馈与补偿的修正方法，在此基础 航空工程中的大量构件都承受动态载荷作 上从变系数的数学方程组中选取损伤参数，通过 用，实践表明最初的疲劳损伤往往发生于构件表 电子显微镜等工具观察材料损伤状态与所选择的 面或组织间的界面。为进一步提高工程构件在使 损伤参数之间的联系，从而确定损伤参数并对材 用过程中的疲劳可靠性，需要对材料的这些早期 料的损伤状态进行评估和预测。 疲劳损伤过程进行研究。近年来，人们除了进行 试验用正弦载荷进行三点弯曲循环加载，在 以电子显微镜为手段的定性微观观察研究外…， 循环加载过程中，随着试样疲劳损伤的产生和发 还尝试用各种测量方法来对材料表面的疲劳损伤 展，试样产生了相应变化的动态弯曲变形，试样 进行定量的描述，经报道的有利用试样表面因疲 的动态弯曲挠度信号因此包含了疲劳损伤的重要 劳变形而使反射激光强度产生变化的方法”1、测 信息，试验分别对三种试样疲劳损伤过程进行数 量材料在疲劳过程中表面显微硬度发生数值变化 值跟踪研究”’‘。 等等”1，并将这些数值变化与材料的疲劳损伤相 在循环载荷作用下，对材料的受力与变形建 联系。但目前对材料表面的早期损伤和其发展规 立数学模型已有许多研究，其中比较成功的数学 律仍缺乏较全面定量研究…，也缺乏相应的有效 研究手段。本文在系统分析理论的基础上利用信 础上，为进一步提高精度，采用了信号的反馈与 号处理的方法确定损伤参数，通过三点弯曲疲劳 补偿修正技术，经大量试验选择传递函数由微分 试验对两种镀层的疲劳开裂过程，和具有典型界 方程组(1)，(2)构建如下： 面问题的奥一贝球铁中石墨球与基体间疲劳开裂 西+26啦+蒯+(1一∞∥z=-厂(f)(1) 过程，进行定量的数值跟踪描述，并结合扫描电 2=m～卢I训zlz一豫2 (2) 镜对试样表面的损伤开裂过程进行微观观察，进 这里u为试样受力点的位移，z为方程组内部 而对这些早期疲劳损伤过程及其发展规律进行进 变量(或中间变量)，。为循环频率，f(t)为外作 一步定量探讨和数值跟踪描述。 用力，Y、n、B为材料指数。试样的受力与位 2、实验方法及实验材料 荷及位移传感器放大输出，经A／D转换器将电信 2．1实验方法 号变成数字信号。当试样动态加载循环一千周， 由计算机控制以5删z的采样频率采集动态的载荷 本文在系统分析理论的基础上，利用信号处