专利名称：一种耳片连接件疲劳裂纹扩展的试验分析方法
技术领域：
本发明涉及一种疲劳裂纹扩展寿命预测的试验分析方法，特别涉及一种耳片连 接件疲劳裂纹扩展的试验分析方法，提供了多种典型耳片连接件在不同方向载荷下的应 力强度因子表达式和一套耳片连接件疲劳试验的夹具装置。
背景技术：
耳片结构广泛应用于各种机械设备中。目前在损伤容限设计分析方面，只能解 决直耳片受纵向拉载荷的情况，对于耳片连接件受斜载荷的情况，没有合适的模型方法 来确定裂纹扩展特性和剩余强度要求，这就需要通过理论与试验分析进行研究，相应的 夹具设计是试验分析研究的基础，求出耳片连接件的应力强度因子表达式是研究其疲劳 断裂特性的关键。在国内，对于典型结构部件的损伤容限特性分析工作已取得一定进展，并且制 定了相关的损伤容限设计准则和分析方法，出版了相应的损伤容限设计手册及指南。对 连接耳片结构也做了一定的损伤容限分析。西北工业大学李亚智，黄其青，傅祥炯及中国飞机强度研究所郑旻仲等人提出 了一种含裂纹结构剩余强度的估算方法，求出了典型对称耳片连接件受纵向拉载的临界 应力强度因子表达式，通过表观断裂韧度准则确定的弹性断裂强度和净截面全面屈服后 的静力学破坏强度的结合，估算剩余强度许用值，取得很好的预测精度。对于斜耳片或 非对称耳片受纵向拉载或斜载的情况，未进行探讨。黄其青进行了对称与非对称斜削耳 片的危险部位及应力强度因子分析，给出了多种角度载荷作用下应力强度因子曲线，但 未给出应力强度因子表达式。《螺栓和耳片强度分析手册》制定了耳片、螺栓的强度 分析手册和连接件的疲劳分析手册，其中给出了影响连接耳片强度和疲劳特性的因素以 及耳片的常见破坏方式等。张树祥采用折算系数法对任意角度受载的耳片进行了强度分 析，但这是一种半经验半理论的方法，有时与实际相差较大。刁文琦运用机械结构可靠 性设计理论对某飞机上耳片接头的静强度可靠性进行了分析和计算，而其它方面如疲劳 等问题未作进一步分析。陈秀华等采用非线性有限元法，运用MSCPantnm和MSC Marc 分析某飞机平尾升降舵铰链接头耳片在轴向0°，斜向45°和横向90°三个方向的承载 能力，并给出对应的极限承载能力和应力分布情况，未对耳片疲劳特性进行分析。在国外，J.Schijve，A.H.W.Hoeymakers对耳片的疲劳裂纹扩展特性进行了分 析，ΙΕ.Μοση对受钉载耳片的疲劳性能进行改进，A.F.Liu对断裂的耳片进行了试验与分 析，G.C.Sih，C.T丄i对孔边角裂纹的形成与扩展进行了描述，G.Nicoletto根据试验对直 耳片的裂纹形成与扩展进行了描述，KXathiresan等对连接耳片的裂纹扩展与损伤容限进 行了分析与研究。但上述研究均未提出对称与非对称斜削耳片连接件受纵向拉载或斜载 的应力强度因子表达式。 在疲劳裂纹扩展试验方面，未见有针对不同形状耳片受斜载荷的夹具设计。对 于对称与非对称直、斜耳片连接件在直、斜载荷作用下的疲劳裂纹扩展分析，国内外尚未见有系统的试验分析研究方法，也未有相应的裂纹扩展模型。

发明内容
要解 决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种耳片连接件疲劳裂纹扩展的试 验分析方法，目的在于为耳片连接件的疲劳裂纹扩展提供一套可行的、合理的试验与理 论分析方法。技术方案一种耳片连接件受轴向拉载疲劳裂纹扩展的试验分析方法，其特征在于步骤如 下步骤1试验耳片的安装步骤(a)在耳片一端的孔边沿径向加工出深Imm的穿透缺口，其方向垂直于载 荷方向；沿载荷方向将缺口末端的耳片表面打磨光滑；步骤(b)将耳片缺口端通过螺栓与裂纹端夹具1的叉耳相连接，另一端与无裂 纹端夹具2的叉耳连接步骤(c)用试验机下夹头夹住裂纹端夹具1的端部，试验机的上夹头夹住无裂 纹端夹具2的端部，并保证两个夹头的对中线与裂纹端夹具1和无裂纹端夹具2端部的中 线重合；步骤2利用试验机在耳片上加载制造疲劳裂纹步骤(a)预制疲劳裂纹的载荷为等幅谱，正弦波形，载荷峰值采用0.1[P]n，当 耳片缺口部位出现0.4mm 0.8mm的初始穿透裂纹即停止预制疲劳裂纹；步骤(b)疲劳裂纹扩展试验的加载频率为5Hz，正弦波形；载荷峰值为 0.15[P]n,每隔1000 3000次将频率降1Hz，得到每次裂纹长度a和与对应的载荷循环数 N；所述的[P]n为按截面静力学断裂估计的破坏载荷；[P]n = [P]ult (1-0.5 ε -0.5 ε 2， 其中[P]ult为无裂纹时的破坏载荷，ε是无量纲裂纹长度；所述的ε =a/t,其中a为裂纹长度，t为耳片厚度；所述的[P]ult = KtlObF,其中K。为耳片受轴向拉伸载荷时的效率系数，可由 《螺栓和耳片强度分析手册》图2-7至2-12查得，Qb为耳片材料的抗拉强度，F为沿孔
中心的净面积；所述的F = 2(r2-rit,其中r2为耳孔外径，T1为耳孔内径；步骤3:对a-Ν数据进行“7点法”光滑处理，得到拟合后的裂纹长度、及对应 的裂纹扩展速率CiaAiN1 ；计算每次裂纹长度&下应力强度因子幅值ΔΚ，将lg(da/dN) 为纵坐标，Ig(AK)为横坐标，通过最小二乘法拟合直线，可以绘制出疲劳裂纹扩展速率 线，S卩lg(da/dN_lg(AK)线；其中Δ/二 F(Aff)V^，F为综合修正因子，Δ σ为疲劳
载荷峰值下的ο值与疲劳载荷谷值下的ο之差，ο为名义应力σ = ^，Ρ为制造该次裂
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纹的载荷，c为耳环宽度；步骤4:以lg(da/dN-lg(AK)线的斜率为Paris公式中的常数n，直线与y轴截距即为Paris公式中的常数C，得到应力比R时耳片的Paris式； 步骤5 根据得到的Paris公式估算耳片疲劳裂纹扩展寿命N。当…时Wf^fc{叫；
权利要求
1. 一种耳片连接件受轴向拉载疲劳裂纹扩展的试验分析方法，其特征在于步骤如下步骤1试验耳片的安装步骤(a)在耳片一端的孔边沿径向加工出深Imm的穿透缺口，其方向垂直于载荷方 向；沿载荷方向将缺口末端的耳片表面打磨光滑；步骤(b)将耳片缺口端通过螺栓与裂纹端夹具(1)的叉耳相连接，另一端与无裂纹 端夹具(2)的叉耳连接步骤(C)用试验机下夹头夹住裂纹端夹具(1)的端部，试验机的上夹头夹住无裂纹 端夹具(2)的端部，并保证两个夹头的对中线与裂纹端夹具(1)和无裂纹端夹具(2)端部 的中线重合；步骤2利用试验机在耳片上加载制造疲劳裂纹步骤(a)预制疲劳裂纹的载荷为等幅谱，正弦波形，载荷峰值采用0.1[P]n，当耳片 缺口部位出现0.4mm 0.8mm的初始穿透裂纹即停止预制疲劳裂纹；步骤(b)疲劳裂纹扩展试验的加载频率为5Hz，正弦波形；载荷峰值为0.15[P]n， 每隔1000 3000次将频率降1Hz，得到每次裂纹长度a和与对应的载荷循环数N ；所述的[P]n为按截面静力学断裂估计的破坏载荷；[P]n = [P]ult(l"0.5e-0.5e2),其 中[P]ult为无裂纹时的破坏载荷，ε是无量纲裂纹长度； 所述的ε =a/t，其中a为裂纹长度，t为耳片厚度；所述的[PL = Ktl0bF,其中Ktl为耳片受轴向拉伸载荷时的效率系数，可由《螺栓 和耳片强度分析手册》图2-7至2-12查得，Qb为耳片材料的抗拉强度，F为沿孔中心 的净面积；所述的F = 2(r2-ri)t，其中r2为耳孔外径，Γι为耳孔内径; 步骤3:对a-Ν数据进行“7点法”光滑处理，得到拟合后的裂纹长度5,·及对应的裂 纹扩展速率CiaAiN1 ；计算每次裂纹长度5,·下应力强度因子幅值ΔΚ，将lg(da/dN)为纵 坐标，Ig(AK)为横坐标，通过最小二乘法拟合直线，可以绘制出疲劳裂纹扩展速率线， 即Ig (da/dN)-Ig(AK)线；其中Δ^ = 7(Δσ)ν^，Ρ为综合修正因子，Δ σ为疲劳载荷峰值下的ο值与疲劳载荷谷值下的ο之差，ο为名义应力σ = ‘，Ρ为制造该次裂纹的let载荷，c为耳环宽度；步骤4:以lg(da/dN)-lg(AK)线的斜率为Paris公式中的常数n，直线与y轴截距即 为Paris公式中的常数C，得到应力比R时耳片的Paris式；步骤5 根据得到的Paris公式估算耳片疲劳裂纹扩展寿命N。当 η = 2 时Nc =C1(Acx)2hA ；其中a。为耳片破坏的临界裂纹长度，％为初始裂纹长度，C1=C
2.根据权利要求1所述的耳片连接件受轴向拉载疲劳裂纹扩展的试验分析方法，其特 征在于当耳片为直耳片，且0^f U·6或US^。或5实《20时，耳环宽度c = r2-ri，
3.根据权利要求1所述的耳片连接件受轴向拉载疲劳裂纹扩展的试验分析方 法，其特征在于当耳片为对称斜耳片，且5° <β<45° pg0.1<^<1.6pgl.5<^<3
4.根据权利要求1所述的耳片连接件受轴向拉载疲劳裂纹扩展的试验分析方法，其 特征在于当耳片为非对称斜耳片，5°《^或32幼5°或G·^；^1M1I5耸《20时，耳环宽度^ =hCOS/ ,当βι> β2时，综合修正因子F = 0.92·-0.079832+1.0716‘/β · far “ fjw · fr ‘3
5. —种耳片连接件受小于45°斜载疲劳裂纹扩展的试验分析方法，其特征在于步骤 如下步骤1试验耳片的安装步骤(a)在耳片一端的孔边沿径向加工出深Imm的穿透缺口，其方向垂直于载荷 方向；沿载荷方向将缺口末端的耳片表面打磨光滑；步骤(b)将耳片缺口端通过螺栓与裂纹端夹具(1)的叉耳相连接，耳片的另一端通 过螺栓与卡槽主体(3)斜槽底部的通孔相连接；限宽卡块(5)置于卡槽主体(3)的斜槽与 耳片(6)之间，通过挡板(4)进行固定；将卡槽主题(3)的矩形凹槽插入无裂纹端夹具 (2)的叉耳中，通过螺栓进行连接；步骤(C)用试验机下夹头夹住裂纹端夹具(1)的端部，试验机的上夹头夹住无裂纹 端夹具(2)的端部，并保证两个夹头的对中线与裂纹端夹具(1)和无裂纹端夹具(2)端部 的中线重合；步骤2利用试验机在耳片上加载制造疲劳裂纹步骤(a):预制疲劳裂纹的载荷为等幅谱，正弦波形，载荷峰值采用0.1[P]n，当耳片 缺口部位出现0.4mm 0.8mm的初始穿透裂纹即停止预制疲劳裂纹；步骤(b)疲劳裂纹扩展试验的加载频率为5Hz，正弦波形；载荷峰值为0.15[P]n， 每隔1000 3000次将频率降1Hz，得到裂纹长度a与对应的载荷循环数N ；所述的[P]n为按截面静力学断裂估计的破坏载荷；[P]n = [P]ult(l"0.5e-0.5e2),其 中[P]ult为无裂纹时的破坏载荷，ε是无量纲裂纹长度； 所述的ε =a/t，其中a为裂纹长度，t为耳片厚度；对于受斜向拉伸载荷的直耳片，所述的[P]ult = [P]ult。‘ Kzsl,其中[P]uM为耳片受轴 向拉伸载荷的[P]ult ； Kzsl为折算系数，可由《螺栓和耳片强度分析手册》图2-15查得； 对于受斜向拉伸载荷的斜耳片，所述的[P]ult = [P]ult。-Kzsl · Kzs2,其中[P]uM为耳 片受轴向拉伸载荷的[P]ult ； Kzsl，Kzs2为折算系数，可由《螺栓和耳片强度分析手册》图 2-15查得；步骤3:对a-Ν数据进行“7点法”光滑处理，得到拟合后的裂纹长度1及对应的 裂纹扩展速率(CiaMN)1 ；计算每次裂纹长度<3,·下应力强度因子幅值(ΔΚ)，将lg(da/dN) 为纵坐标，Ig(AK)为横坐标，通过最小二乘法拟合直线，可以绘制出疲劳裂纹扩展速率 线，SPlg(da/dN)-lg(AK)线；其中A^ = F(ACT)V^，F为综合修正因子，Δ σ为疲劳载荷峰值下的ο值与疲劳载荷谷值下的ο之差，ο为名义应力σ = ‘，Ρ为制造该次裂
6.根据权利要求5述的耳片连接件受小于45°斜载疲劳裂纹扩展的试验分析方法，
7.根据权利要求5述的耳片连接件受小于45°斜载疲劳裂纹扩展的试验分析方 法，其特征在于当耳片为对称斜耳片，0°或5°或或
8.根据权利要求5述的耳片连接件受小于45°斜载疲劳裂纹扩展的试验分析 方法，其特征在于当耳片为非对称斜耳片，5°或或1·5<^·。或5钚<20时，耳环宽度c = "^"，当 ^〉^时，综合修正因子
全文摘要
本发明涉及一种耳片连接件疲劳裂纹扩展的试验分析方法，技术特征在于将试验耳片的安装在试验机上，然后在耳片上加载制造疲劳裂纹，采用直耳片受纵向拉载、直耳片受小于45°斜载、对称斜耳片受纵向拉载、对称斜耳片受小于45°斜载、非对称斜耳片受纵向拉载、非对称斜耳片受小于45°斜载的应力强度因子求得相应的ΔK，以lg(da/dN)-lg(ΔK)线的斜率为Paris公式中的常数n，直线与y轴截距即为Paris公式中的常数C，得到应力比R时耳片的Paris式；根据得到的Paris公式估算耳片疲劳裂纹扩展寿命NC。本发明适用性广，对于研究各种受载条件下的耳片孔边疲劳裂纹扩展特性有一定的指导作用。
文档编号G01N3/08GK102023116SQ20101050794
公开日2011年4月20日 申请日期2010年10月14日 优先权日2010年10月14日
发明者伍黎明, 何宇廷, 周瑞祥, 安涛, 张登成, 王卓健, 郭基联 申请人:中国人民解放军空军工程大学