結(jié)合有限元軟件對7A04鋁合金疲勞性能的研究

張晨 張翰林

摘 要：本文利用有限元技術(shù)對7A04鋁合金標(biāo)準(zhǔn)式樣進(jìn)行疲勞壽命分析，并與實際疲勞實驗結(jié)果對比，光滑試樣的疲勞極限的結(jié)果分別為413MPa和401.43MPa，相差2.80%，結(jié)果基本一致。表面陽極氧化和腐蝕會降低試樣的疲勞極限，但表面陽極氧化能有效提高試樣的抗腐蝕性能。7A04鋁合金標(biāo)準(zhǔn)試樣的金屬間化合物與氧化膜中的孔洞是降低其疲勞極限的主要因素。

關(guān)鍵詞：7A04鋁合金；疲勞極限；有限元技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.022

1 緒論

7A04鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系超硬鋁合金，具有密度低、強(qiáng)度高、高的比強(qiáng)度和硬度和較高的韌性等優(yōu)點[1]，廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域。追求不同應(yīng)用條件下的7A04鋁合金的疲勞壽命及疲勞極限是一直研究的主題。

2 7A04鋁合金標(biāo)準(zhǔn)試樣制備

2.1 光滑試樣的制備及有限元處理

試樣按照國標(biāo)GJB 1997-1994《金屬材料軸向腐蝕疲勞性能試驗方法》的要求進(jìn)行加工，ANSYS模型單元類型設(shè)為Solid185，三維8節(jié)點固體結(jié)構(gòu)單元。

2.2 陽極氧化及預(yù)腐蝕標(biāo)準(zhǔn)試樣的制備及有限元處理

對光滑試樣進(jìn)行表明陽極氧化處理，然后分別對光滑試樣，陽極氧化試樣進(jìn)行預(yù)腐蝕處理。

通過ANSYS軟件建立簡化預(yù)腐蝕光滑試樣的模型，即在標(biāo)準(zhǔn)試樣的最小截面上創(chuàng)建有限數(shù)量個離表面25μm處的直徑30μm大小關(guān)于截面中心對稱的孔洞。

3 標(biāo)準(zhǔn)試樣的疲勞實驗

利用GPS100型疲勞試驗機(jī)采用升降法進(jìn)行疲勞極限測定，得出光滑試樣，陽極氧化試樣，預(yù)腐蝕光滑試樣，預(yù)腐蝕陽極氧化試樣的疲勞極限分別為401.43MPa、253.57MPa、229.33MPa、236.67MPa。

4 標(biāo)準(zhǔn)疲勞試樣疲勞分析

4.1 標(biāo)準(zhǔn)試樣靜強(qiáng)度分析

將光滑試樣的有限元模型在ANSYS里進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，將疲勞試樣左端面設(shè)置全約束，右端面上施加X軸正向12kN力，進(jìn)行求解計算。應(yīng)力云圖如圖1所示。疲勞試樣受X軸正向12kN載荷時，等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在3646節(jié)點處，最大等效應(yīng)力為430.56MPa，X軸方向應(yīng)力以及第一、第二、第三主應(yīng)力如表1所示。

通過對危險節(jié)點3646分析得到，疲勞試樣在X軸正向12kN載荷下節(jié)點3646的等效應(yīng)力、第一主應(yīng)力、X軸向應(yīng)力大小基本相同，而在Y軸向與Z軸向應(yīng)力大小均為20.4626MPa，可忽略不計，因此疲勞試樣在X軸正向載荷下危險節(jié)點的應(yīng)力狀態(tài)可以簡化為單軸拉應(yīng)力狀態(tài)。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)疲勞式樣疲勞壽命分析

將靜強(qiáng)度分析結(jié)果文件導(dǎo)入FE-SAFE軟件中，采用應(yīng)力-壽命曲線Goodman平均應(yīng)力修正方法進(jìn)行單軸分析，選用正弦載荷歷程對疲勞試樣進(jìn)行疲勞分析。應(yīng)力比R=0.1，材料彈性模量位67000MPa，泊松比為0.3，抗拉強(qiáng)度為550MPa，材料的S-N曲線選取徐磊測定的7A04鋁合金S-N曲線，粗糙度等級設(shè)為Ra≤0.25，設(shè)計壽命設(shè)為次，其他設(shè)為默認(rèn)進(jìn)行疲勞壽命分析，得到的壽命結(jié)果是用對數(shù)來表示，得到最小疲勞壽命為5127433次，小于次。

分別又選取X軸正向11.586kN，11.500kN，11.445kN的載荷對疲勞試樣進(jìn)行疲勞壽命分析，最終的疲勞壽命如表2。

由上表可以得出，通過有限元分析得到的標(biāo)準(zhǔn)疲勞試樣的疲勞極限大約為413MPa。

對預(yù)腐蝕光滑試樣的模型一端施加5700N大小的力時標(biāo)樣的疲勞壽命接近次，最大應(yīng)力出現(xiàn)在孔洞周圍，這是由于孔洞周圍產(chǎn)生了集中應(yīng)力。通過計算可以看出孔洞數(shù)量越多，最大應(yīng)力越大，疲勞極限越小。

5 結(jié)論

（1）通過ANSYS與FE-SAFE軟件計算了7A04鋁合金標(biāo)準(zhǔn)試樣的疲勞壽命，對比實際實驗結(jié)果，得到光滑試樣的疲勞極限的結(jié)果分別為413MPa和401.43MPa，相差2.80%，結(jié)果基本一致。

（2）表面陽極氧化和腐蝕會降低試樣的疲勞極限，但表面陽極氧化能有效提高試樣的抗腐蝕性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]曲明洋.熱變形對7A04鋁合金組織和性能的影響[D].中北大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

作者簡介：張晨（1992-），男，山東高密人，本科，診斷工程師/助理工程師，研究方向：材料科學(xué)與基礎(chǔ)。