安裝邊結(jié)構(gòu)不僅可使零部件緊密地裝配在一起，實(shí)現(xiàn)定位、密封和載荷傳遞等功能，而且具有易于裝拆、便于檢修及更換零件等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械工程中得到了廣泛使用。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣為例，受實(shí)際使用工況影響，安裝邊處受力狀態(tài)主要以內(nèi)外壓差、軸向力和彎矩等載荷引起的彎曲應(yīng)力為主，應(yīng)力分布復(fù)雜[1]，是結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)部位，其結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)行為直接關(guān)系到整個(gè)機(jī)匣和發(fā)動(dòng)機(jī)的服役安全和壽命，對(duì)該處進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和試驗(yàn)研究是十分必要的[2]。

國內(nèi)外針對(duì)安裝邊結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化開展了試驗(yàn)和仿真模擬研究。HSPKumar等[3]通過計(jì)算分析方法對(duì)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)安裝邊厚度、高度等在不同軸向力和氣體壓力下的應(yīng)力和變形進(jìn)行了分析。謝慧敏等[4]通過有限元，對(duì)機(jī)匣安裝邊連接結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力及應(yīng)變分布進(jìn)行了分析。艾延廷等[5-6]對(duì)機(jī)匣安裝邊螺栓連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，并通過計(jì)算對(duì)安裝邊結(jié)構(gòu)和減重進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。籍永青等[7]針對(duì)復(fù)合材料機(jī)匣安裝邊設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)模擬件，開展了強(qiáng)度性能試驗(yàn)和損傷分析。通常，設(shè)計(jì)人員采用基礎(chǔ)材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)或?qū)ζ浼右孕拚浪憬Y(jié)構(gòu)的性能，但估算結(jié)果往往具有較大誤差，分析應(yīng)用亦會(huì)偏離結(jié)構(gòu)的真實(shí)使用性能和壽命，難以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求[8-10]，而使用部件進(jìn)行試驗(yàn)不僅過程復(fù)雜，而且成本高，指導(dǎo)價(jià)值有限。通過設(shè)計(jì)安裝邊結(jié)構(gòu)特征模擬件開展強(qiáng)度試驗(yàn)來對(duì)該結(jié)構(gòu)力學(xué)行為進(jìn)行研究，可以填補(bǔ)材料級(jí)到部件級(jí)正向設(shè)計(jì)缺失的特征結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究內(nèi)容，為安裝邊轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析及壽命評(píng)估等研究奠定試驗(yàn)基礎(chǔ)。

GH4169合金在650℃以下具有優(yōu)異的綜合性能[11-13]，用其制備的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣安裝邊結(jié)構(gòu)具有良好的連接剛性和強(qiáng)度。機(jī)匣安裝邊轉(zhuǎn)接部位往往采用臺(tái)階、圓角等結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)機(jī)匣殼體的過渡，為研究不同轉(zhuǎn)角尺寸的安裝邊結(jié)構(gòu)在彎曲靜力和疲勞加載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，提取安裝邊結(jié)構(gòu)特征，選用GH4169合金設(shè)計(jì)制備了安裝邊結(jié)構(gòu)模擬件。采用位移控制的加載方式來模擬彎曲載荷，對(duì)具有不同轉(zhuǎn)角尺寸的安裝邊結(jié)構(gòu)在彎曲靜力和疲勞加載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)、載荷傳遞和失效模式等進(jìn)行試驗(yàn)研究，并結(jié)合有限元計(jì)算進(jìn)行分析討論。

1、試驗(yàn)材料、模擬件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用GH4169高溫合金主要成分見表1，為了解選用材料的基礎(chǔ)性能，選用了如圖1所示的試驗(yàn)件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，通過在工作段正反兩面粘貼應(yīng)變片的方法，在拉伸試驗(yàn)后獲得其靜力拉伸條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。試驗(yàn)使用島津AG250KNE型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，位移控制，加載速率2mm/min。

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣部件為筒體結(jié)構(gòu)，對(duì)安裝邊進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征提取后的模擬件設(shè)計(jì)及加載示意圖見圖2。由于機(jī)匣筒體相比模擬件尺寸具有較大的尺寸優(yōu)勢，模擬件形狀近似于在機(jī)匣筒體的安裝邊位置進(jìn)行切割取樣。模擬件在安裝邊一側(cè)開設(shè)螺栓孔用于模擬裝配約束，平直的懸臂來模擬機(jī)匣薄壁筒體。在轉(zhuǎn)角過渡R處進(jìn)行針對(duì)性的變量設(shè)計(jì)，設(shè)置了R=1.2mm、3mm、5mm三種不同轉(zhuǎn)接圓角尺寸的結(jié)構(gòu)模擬試驗(yàn)件。由于機(jī)匣部件是筒體結(jié)構(gòu)，筒體上的每一處結(jié)構(gòu)周圍均有材料約束，為避免邊緣尺寸效應(yīng)導(dǎo)致的試驗(yàn)件在邊緣啟裂，在模擬件的邊緣做了針對(duì)性的圓角設(shè)計(jì)，見圖2中轉(zhuǎn)角R0.8與R0.1。

試驗(yàn)前，通過螺栓將試驗(yàn)件與工裝進(jìn)行裝配，實(shí)現(xiàn)端面約束固定，并在圖2所示位置粘貼應(yīng)變片。試驗(yàn)工裝通過螺栓固定在試驗(yàn)器上，加載壓頭固定在試驗(yàn)器的另一端。加載壓頭在距離模擬件懸臂一端5mm的位置進(jìn)行加載。室溫彎曲靜力試驗(yàn)使用CMT4204型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，位移控制壓頭的加載速率為0.5mm/min，加載至16mm時(shí)停止試驗(yàn)。分別按照0~5.5mm、0~6mm、0~6.5mm、0~7mm的位移加載范圍開展彎曲疲勞試驗(yàn)，使用島津EHF-100KN低周疲勞試驗(yàn)機(jī)，加載頻率1Hz，循環(huán)直至試驗(yàn)件破壞。每種試驗(yàn)參數(shù)下獲得3個(gè)有效數(shù)據(jù)后停止試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程中使用東華測試DH5921動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測試分析系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)變測試。模擬件斷口及形貌使用視頻顯微鏡VHX1000和場發(fā)射掃描電子顯微鏡Sigma500進(jìn)行觀察。

2、試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1板形試驗(yàn)件室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

板形拉伸試驗(yàn)件的室溫拉伸強(qiáng)度見表2，從試驗(yàn)結(jié)果來看，材料性能穩(wěn)定，根據(jù)應(yīng)力及粘貼在工作段上的應(yīng)變片測試獲得的數(shù)據(jù)繪制的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3。

2.2模擬件彎曲靜力試驗(yàn)結(jié)果

不同轉(zhuǎn)角尺寸安裝邊結(jié)構(gòu)模擬件在室溫下的彎曲靜力試驗(yàn)加載變形歷程見圖4，從原始平衡位置0mm下壓至最大位移16mm的加載歷程中，試驗(yàn)件壓頭處的載荷-位移曲線的線形規(guī)律一致，先經(jīng)歷彈性變形的直線段后，進(jìn)入塑性變形的曲線段，變形抗力相差不大。

對(duì)照載荷-位移曲線可發(fā)現(xiàn)，在彈性段部分，貼片處的應(yīng)變數(shù)據(jù)也呈線性變化，隨著彎曲位移的進(jìn)一步增加，試驗(yàn)件開始發(fā)生屈服，應(yīng)變-位移曲線也呈非線性變化。但不同轉(zhuǎn)角尺寸的試驗(yàn)件在進(jìn)入非線性區(qū)后，應(yīng)變-位移曲線呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，最大變形量與試驗(yàn)結(jié)束后的殘余變形量呈現(xiàn)明顯差異，隨著轉(zhuǎn)角尺寸的增加，試驗(yàn)件的最大變形量和殘余變形量減小。對(duì)載荷位移曲線和應(yīng)變-位移曲線的直線段進(jìn)行線性擬合可直觀發(fā)現(xiàn)，隨著試驗(yàn)件轉(zhuǎn)角尺寸的增大，曲線直線段斜率增大。彎曲靜力試驗(yàn)后模擬件均未產(chǎn)生裂紋和斷裂。

2.3彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

不同轉(zhuǎn)角尺寸的安裝邊結(jié)構(gòu)模擬件的彎曲疲勞壽命與加載位移關(guān)系見圖5，其中帶有十字的數(shù)據(jù)標(biāo)記點(diǎn)為對(duì)應(yīng)試驗(yàn)條件下的中值對(duì)數(shù)疲勞壽命。根據(jù)中值對(duì)數(shù)疲勞壽命判斷，相同轉(zhuǎn)角尺寸的試驗(yàn)件隨著最大加載位移的增大，循環(huán)壽命降低；當(dāng)最大加載位移相同時(shí)，隨著轉(zhuǎn)角尺寸的增大，循環(huán)壽命提高。

對(duì)所有試驗(yàn)件的斷裂位置與加載端壓頭之間的距離進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，同一轉(zhuǎn)角尺寸試驗(yàn)件在不同加載位移下的斷裂位置一致，且隨著轉(zhuǎn)角尺寸R的增大，斷裂位置向加載位置靠近。以最大加載位移為5.5mm的不同轉(zhuǎn)角尺寸的試驗(yàn)件為例，試驗(yàn)件彎曲疲勞斷裂位置及斷口形貌見圖6。對(duì)所有試驗(yàn)件的斷裂位置與加載端壓頭之間的距離進(jìn)行測量和均值統(tǒng)計(jì)，R1.2為53.71mm，R3為51.73mm，R5為50.41mm。

在彎曲疲勞循環(huán)加載過程中，試驗(yàn)件變形模式類似于懸臂梁結(jié)構(gòu)的彎曲變形，上表面受拉下表面受壓。疲勞試驗(yàn)后，對(duì)試驗(yàn)件斷口進(jìn)行顯微觀察，如圖7和圖8所示，斷口可見明顯的放射棱線和疲勞弧線形貌特征，表明斷口性質(zhì)為疲勞，在疲勞擴(kuò)展區(qū)可見與裂紋擴(kuò)展方向相垂直的疲勞條帶和二次裂紋，是低周疲勞擴(kuò)展的典型微觀形貌特征。根據(jù)放射棱線匯聚的方向判斷，疲勞均起源于試驗(yàn)件受載上表面的中部區(qū)域，且呈多源特征，表明裂紋形核的不確定性較大，出現(xiàn)疲勞性能的分散性，同時(shí)相比于材料數(shù)據(jù)手冊(cè)中利用標(biāo)準(zhǔn)材料試驗(yàn)件獲得的疲勞數(shù)據(jù)而言，由于結(jié)構(gòu)等要素的引入，結(jié)構(gòu)模擬件的疲勞壽命某種程度上仍屬隨機(jī)變量，往往存在一定的離散性。

2.4有限元模擬結(jié)果

借助有限元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和仿真模擬，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析，是當(dāng)前安裝邊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究的重要手段[14-15]。一些學(xué)者對(duì)懸臂梁進(jìn)行的有限元模擬研究[16-17]對(duì)于安裝邊結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為研究是有借鑒意義的。其中張永超等人[17]的研究成果表明，在進(jìn)行懸臂梁結(jié)構(gòu)的有限元模擬時(shí)實(shí)體單元較殼單元具有較小的誤差和較高的精度，因此本文選用實(shí)體單元對(duì)安裝邊結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為進(jìn)行有限元模擬。以室溫靜力拉伸試驗(yàn)結(jié)果作為材料參數(shù)輸入，密度8.24g/cm3，泊松比0.3[18]。安裝邊固定端開有螺栓孔，由于其最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在轉(zhuǎn)接圓角根部，計(jì)算時(shí)可不考慮孔的影響，對(duì)模型做適當(dāng)簡化，試驗(yàn)件固定端面整體邊界條件為固支，在加載位置施加試驗(yàn)所需的變形位移。以最大加載位移5.5mm的試驗(yàn)件為例進(jìn)行數(shù)值模擬，試驗(yàn)件應(yīng)力分布云圖見圖9。

模擬結(jié)果表明，試驗(yàn)件承受彎曲載荷發(fā)生變形后，上表面受拉，下表面受壓，在上表面的圓角過渡區(qū)有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，高于下表面最大壓應(yīng)力，最大應(yīng)力點(diǎn)在圖中標(biāo)出。且由于應(yīng)力集中，R=1.2的試驗(yàn)件在試驗(yàn)件上表面出現(xiàn)了少量的塑性變形。

3、分析與討論

表3為安裝邊結(jié)構(gòu)模擬件在承受彎曲載荷作用下通過理論計(jì)算、試驗(yàn)測試和有限元模擬得到的結(jié)果，從貼片處的靜力測試結(jié)果和有限元模擬結(jié)果的對(duì)比可知，有限元模擬結(jié)果具有較好的可信度。

以轉(zhuǎn)接圓角的起始邊（圖10中虛線所示）為X軸零點(diǎn)作沿結(jié)構(gòu)模擬件圖示箭頭路徑的應(yīng)力傳遞圖，見圖10。

試驗(yàn)件在加載端承受彎曲載荷時(shí)，載荷沿試驗(yàn)件進(jìn)行載荷傳遞，圖10中橢圓區(qū)域的應(yīng)力變化主要受彎矩沿試驗(yàn)件平板部分的線性變化影響，而當(dāng)進(jìn)入圓角與平板部分的過渡連接區(qū)域時(shí)，由于試驗(yàn)件剛度發(fā)生較大變化引起的應(yīng)力集中而導(dǎo)致應(yīng)力在該處發(fā)生轉(zhuǎn)折。不同轉(zhuǎn)角尺寸試驗(yàn)件的最大應(yīng)力點(diǎn)均位于靠近平直段一側(cè)的轉(zhuǎn)接圓弧上，且隨著轉(zhuǎn)角尺寸的增大，最大應(yīng)力位置趨于靠近加載端一側(cè)（見圖10中abc三點(diǎn)），該模擬結(jié)果同試驗(yàn)件的斷裂位置結(jié)果趨勢一致。以通過理論公式1計(jì)算得到的應(yīng)力作為名義應(yīng)力，將有限元計(jì)算得到的最大應(yīng)力與名義應(yīng)力的比值作為該部位的應(yīng)力集中系數(shù)。由于名義應(yīng)力選用不同轉(zhuǎn)角尺寸試驗(yàn)件有限元模擬得到的最大應(yīng)力位置處的力臂和抗彎截面模量來參與計(jì)算，因此名義應(yīng)力計(jì)算值在R=5時(shí)小于R=3。從試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著轉(zhuǎn)接圓角尺寸的增大，應(yīng)力集中程度趨于緩和，這是由于該結(jié)構(gòu)安裝邊圓角R處的剛度梯度變化較為平緩導(dǎo)致的。

式中：M為彎矩；F：為加載端測試獲得的加載力；L為根據(jù)有限元模擬得到的最大應(yīng)力位置力臂；WZ為抗彎截面模量。

從彎曲靜力試驗(yàn)結(jié)果可知，擁有不同轉(zhuǎn)角尺寸的試驗(yàn)件在相同加載位移時(shí)加載端的力值相差不大，但當(dāng)載荷傳遞至轉(zhuǎn)接圓角位置時(shí)，由于不同轉(zhuǎn)角尺寸試驗(yàn)件的應(yīng)力集中程度和抗彎模量存在差異，試驗(yàn)件所謂應(yīng)力分布和變形規(guī)律不同。轉(zhuǎn)接圓角附近的最大應(yīng)力水平和位置及整體應(yīng)力分布是導(dǎo)致試驗(yàn)件在彎曲疲勞試驗(yàn)中破壞的主要因素，較大的應(yīng)力集中系數(shù)是試驗(yàn)件疲勞壽命降低的重要原因。

本文通過比較3種不同轉(zhuǎn)接圓角尺寸結(jié)構(gòu)模擬件在彎曲載荷作用下的變形行為、載荷傳遞和循環(huán)壽命來嘗試對(duì)安裝邊轉(zhuǎn)接圓角處的力學(xué)行為進(jìn)行研究，但在討論機(jī)匣安裝邊整體結(jié)構(gòu)時(shí)還應(yīng)充分考慮機(jī)匣整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和包括氣體壓力分布、螺栓預(yù)緊力以及前后裝配引入的軸向力等因素。

4、結(jié)論

(1)不同轉(zhuǎn)角尺寸試驗(yàn)件在彎曲靜力試驗(yàn)下的彈性變形規(guī)律一致，屈服后變形規(guī)律不同，最大變形量與殘余變形量隨轉(zhuǎn)角尺寸增大而減?。?/p>

(2)試驗(yàn)件循環(huán)壽命隨轉(zhuǎn)角尺寸的增大而提高，隨加載位移增大而降低，相同轉(zhuǎn)角尺寸試驗(yàn)件的疲勞斷裂位置一致，且隨轉(zhuǎn)角尺寸的增加趨于靠近加載端一側(cè)；

(3)有限元模擬與試驗(yàn)結(jié)果較為一致，轉(zhuǎn)角附近應(yīng)力分布是影響模擬件疲勞壽命的主要因素。

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