基于表面粗糙度的铝合金材料疲劳寿命预测

来源:用户上传      作者:杨永康 杨亚莉 付仁杰

　　摘 要：为了研究表面粗糙度对铝合金材料疲劳寿命的影响，提出一种利用基于表面粗糙度曲线的插值法构造试件真实表面形貌的方法。首先对试件进行打磨处理，然后利用粗糙度仪提取打磨后试件的粗糙表面轮廓曲线;使用插值法重构三维有限元模型并进行疲劳寿命分析;将得到的疲劳寿命与MTS疲劳试验得到的结果相对比;最后建立了粗糙度参数与疲劳寿命之间的函数关系。结果表明：使用插值法得到的仿真疲劳寿命与试验得到的疲劳寿命结果基本一致，最大误差为19.2%，证明了该方法的正确性。粗糙度参数与疲劳寿命存在幂函数关系，基于粗糙度参数可开展疲劳寿命预测。
　　关键词：表面粗糙度;插值法;疲劳试验;寿命预测
　　中图分类号：TP304 文献标识码：A
　　Fatigue Life Prediction of Aluminum Alloy Materials based on Surface Roughness
　　YANG Yongkang， YANG Yali， FU Renjie
　　（School of Mechanical and Automotive Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China）
　　Abstract： In order to study the effect of surface roughness on the fatigue life of aluminum alloy materials， this paper proposes a method to construct real surface morphology of the test piece based on the interpolation method of the surface roughness curve. Firstly， the test piece is polished， and then the rough surface profile curve of the polished test piece is extracted with a roughness meter. Interpolation is used to reconstruct a three-dimensional finite element model and perform fatigue life analysis. Obtained fatigue life is compared with the results obtained from the MTS fatigue test. Finally， the functional relationship between roughness parameters and fatigue life is established. Results show that the simulated fatigue life obtained by the interpolation method is basically consistent with the fatigue life results obtained by the test. The maximum error is 19.2%， which proves the correctness of the method. There is a power function relationship between roughness parameters and fatigue life， and fatigue life prediction can be carried out based on roughness parameters.
　　Keywords： surface roughness; interpolation method; fatigue test; life prediction
　　1 引言（Introduction）
　　S着汽车、船舶、航空航天等行业的发展，材料缺陷对疲劳寿命的研究成为时下热点。研究表明，构件表面存在的缺陷在交变载荷作用下极易造成应力集中，导致材料损伤直至断裂失效[1-2]。为此，许多研究人员对表面粗糙度与疲劳性能的关系进行了深层次研究。SURARATCHA等[3]对航用铝合金进行了有限元建模与计算，发现粗糙度的增加可以迅速降低材料疲劳性能。赵丙峰等[4]研究了不同部位粗糙度值对疲劳性能的影响差异。结果表明，不同缺口处的应力不同，造成构件疲劳性能不同，减缓粗糙度能够有效延长部件寿命周期。
　　通过特定的技术方法实现材料表面重构，可以在不消耗大量时间和成本的基础上还原真实表面形貌，获取疲劳数据。基于有限元分析方法，杨国庆等[5]研究了不同统计特征的接触粗糙表面的受力情况。利用3D粗糙表面的数字化手段，重构带有粗糙表面的有限元模型，分析了接触疲劳性能现象。唐兵[6]基于蒙特卡洛法重构了多种函数表面粗糙度模型，实现了各种随机粗糙度的重构。梅倩倩[7]使用粗糙度参数算法原理和高斯滤波法对表面粗糙度信息进行提取，将结果与实验测量结果进行比较，结果表明该方法具有较高的可行性和正确性。郑清春[8]使用有限元与数理统计回归方法证明保证残余应力相同时表面粗糙度越大，疲劳寿命越低。
　　上述研究仅仅讨论了粗糙度降低疲劳性能，以及通过应力集中变量考虑其影响，并没有对二者之间的联系进行阐述。因此本文将采用插值法重构损伤试件表面模型，并分析表面粗糙度对零件寿命的影响，从而建立粗糙度与疲劳寿命的函数关系，实现对疲劳寿命的预测。

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