大厚度铝合金板疲劳裂纹扩展特性研究现状及关键问题探讨.docxVIP

机械、运载和能源等领域已服役多年的典型重大装备的构件中已产生了裂纹等缺陷，但过早判废退役就意味着巨大的经济损失，继续运行则需要合理的寿命预测以保证安全。因此，合理预测含裂纹构件寿命是有效提高装备使用潜力和控制失效事故发生的重要途径。

金属材料特别是高强度铝合金作为结构主承力件材料被广泛应用于大型运输机、高铁、舰船等大型机械设备，如军用飞机导弹挂架的过渡梁对接处（铝合金结构厚度达40mm左右）、机翼梁框（铝合金结构厚度在30mm左右）等部位，大型机械装备关键承力隔框、耳片接头等部位（铝合金结构厚度可达20mm以上）。常规的裂纹扩展数据都是基于标准试件（厚度一般在2~10mm）通过试验获取，是否适用于大厚度（特指20mm以上）铝合金板尚需研究。

为了给相关领域研究人员提供参考，空军工程大学航空工程学院的科研人员对大厚度铝合金板裂纹尖部应力应变场与裂纹扩展形貌、疲劳裂纹扩展厚度效应、腐蚀疲劳交替作用下裂纹扩展机理等方面国内外研究现状和发展趋势进行了总结分析，探讨了大厚度铝合金板疲劳裂纹扩展特性研究的新问题与关键问题，旨在为发展大厚度铝合金板三维损伤容限评估方法及模型提供帮助。

大厚度铝合金板疲劳裂纹扩展的新问题

目前，研究普遍表明疲劳裂纹在扩展过程中表现出“隧道效应（cracktunneling）”特征，即当包含初始直线裂纹前沿的穿透裂纹试样受到循环加载时，中心层裂纹前沿首先向前扩展，其余裂纹前沿随后扩展，形成指甲盖形状裂纹前沿形貌。

然而，作者在开展厚度分别为20和60mm的7050-T7451铝合金单侧裂纹板（垂直轧制方向）拉伸疲劳裂纹扩展试验时发现，试样厚度由20mm增至60mm后，裂纹形貌发生改变，出现了“双隧道效应”，又称“马鞍效应”，即裂纹形貌呈马鞍形，如图1所示。

图1不同厚度铝合金单侧裂纹板断口形貌

试验的载荷及环境工况见表1，疲劳载荷为常幅载荷，载荷频率为5Hz，正弦波形，应力比为0.06。

表1不同厚度铝合金单侧裂纹板拉伸疲劳裂纹扩展试验载荷及环境工况

对于大型机械设备中的大厚度铝合金结构，其三维穿透裂纹前沿形貌难以准确判读，多数情况下只能依据表面裂纹长度或基于“隧道效应”的等效裂纹长度来评估结构安全状态，预测结构剩余强度与疲劳寿命，误差较大。

作者采用板两侧表面裂纹的测量长度(aS1,aS2)的均值aS作为裂纹长度，基于传统断裂韧度准则（K≤KC，KC=KIC=35MPa·m1/2）对60mm厚试样进行剩余强度Ps评估，并与试验结果Pt进行比较，结果见表2。对比发现，采用表面裂纹长度估算的剩余强度值与试验值的相对误差约为30%，预测结果偏危险。

表2采用表面裂纹长度计算的剩余强度与试验结果的对比

另一方面，已有研究表明，试样厚度对疲劳裂纹扩展具有显著影响，随着试样厚度增加，裂纹扩展寿命降低，薄板试样的计算模型无法用来估算厚板结构裂纹扩展寿命。试样厚度增加引发的裂纹扩展“马鞍效应”是厚度与三维裂纹尖部应力应变场内在联系的表象反映，在未得出这种内在联系机理与规律的情况下，基于传统模型对厚板及变厚度板进行损伤容限评定必然存在很大的风险。

当前，结构完整性、安全性、经济性和维修性等已成为飞行器、高铁等重大机械装备设计的重要目标，材料的疲劳断裂性能和结构的损伤容限能力需要发挥到极致，才能满足日益严苛的设计要求。

在含裂纹结构中，裂纹尖部复杂的三维应力场对含裂纹结构的强度起着至关重要的作用。试验表明，采用基于二维理论发展起来的断裂以及疲劳寿命预测模型对实际三维结构进行评估将会导致不精确且偏危险的预测结果。因此，深入研究大厚度铝合金板三维裂纹扩展/断裂机理，发展连续变厚铝合金板三维损伤容限评估方法及模型，成为保证大型机械设备安全服役亟待解决的问题。

大厚度铝合金板裂纹扩展研究现状

大厚度金属板三维裂纹扩展特性研究涉及尖部应力应变场与裂纹扩展形貌、疲劳裂纹扩展的厚度效应等内容，作者对国内外相关研究成果和发展趋势进行了总结。

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裂纹尖部应力应变场与裂纹扩展形貌

自IRWIN提出应力强度因子K以后，裂纹尖部场的描述体系便经历了从线弹性体系到弹塑性、蠕变理论体系，从单参数体系到三参数体系以及从二维体系到三维体系的发展。

研究发现，三维裂纹与二维裂纹最本质的区别可以通过三轴应力约束参数TZ描述。根据TZ有限的特性，从三维弹塑性体的基本方程出发，在形变理论框架下获得了J-TZ双参数描述下裂纹尖部场的解析解，进而将面内约束与离面约束理论结合，发展了裂纹尖部场的线弹性K-T-TZ和弹塑性J-QT-TZ三参数描述。随后，研究人员又进一步对三维裂纹尖部场理论解进行了完善，并基于此提出了等效厚度概念并进行应用。

随着计算机性能提高，通过仿真方法研究三维裂纹的尖部场得到了重视，并通过三维有限元法发现三维裂纹尖部沿厚