CN101395461A

CN101395461A - 基于构件表面轮廓表征构件疲劳强度的方法

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Publication number: CN101395461A
Application number: CNA2007800080146A
Authority: CN
Inventors: V·韦尔涅; R·谢拉加蒂; C·马布吕; C·埃斯皮诺萨; M·素拉拉猜
Original assignee: Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2007-03-06
Publication date: 2009-03-25
Also published as: RU2008139621A; CA2645216A1; FR2898410B1; US20090093976A1; JP5149204B2; CA2645216C; JP2009529135A; FR2898410A1; EP1991853A1; WO2007101939A1; RU2467306C2; BRPI0707080A2; US8082114B2

Abstract

基于构件表面状态来表征构件疲劳强度的方法，所述方法包括以下步骤：数据测定步骤：其测定几何数据，这些数据描述应被确定疲劳强度的区域的表面轮廓；将所述数据应用到计算模型，从而估计所述构件的所述区域内的机械应力场；从所述应力场的估计中推导出所述构件的疲劳特性的至少一特征量。

Description

基于构件表面轮廓表征构件疲劳强度的方法

技术领域

[01]本发明涉及基于构件表面状态表征构件的疲劳强度。

[02]疲劳损伤是任何类型的经受周期性荷载谱的构件中均会出现的实际问题。而且，生产此类构件的工艺引发了表面性能的波动，从而引发了构件疲劳强度的波动。实际上，已知机械构件的疲劳强度尤其取决于其表面，在所述表面上可能引发出现疲劳断裂。

[03]大多数关于构件表面状态对其疲劳强度影响的研究考虑可以表征所述表面状态的三个参数：

[04]-几何参数，

[05]-冶金学参数，和/或

[06]-力学参数。

[07]每个参数根据材料作用方式有所不同，从而一般情况下，对于给定的材料可以选取其中一个作为最具代表性的参数。

[08]在某些情况下，例如这里主要针对的航空领域应用的铝合金，最具代表性的标准是几何标准。该标准与由工艺规程所产生的表面粗糙度轮廓的形状相关。因此，将一力学模型应用于这样标识的几何参数以评估其对疲劳强度的影响是很常见的。

背景技术

[09]在关于表面状态对疲劳强度影响的研究中，致力于几何影响的研究应用给定粗糙度参数的几何模型。所述粗糙度参数是描述表面的中间手段；实际上，力学模型从通过这些粗糙度参数进行的该几何描述出发，以评估其对所述疲劳强度的影响。图1所示的图表简要示出了这种方法。

[10]1)几何模型

[11]粗糙度参数基于表面轮廓根据物理标准或统计标准(参见国际标准ISO4287/1-1984(E/F/R)(1984))由所述几何模型加以计算。该步骤一般通过表面光度仪来完成。在所述粗糙度参数中，用得最多以确定构件疲劳强度的参数是：

[12]-算术平均偏差(Ra)，其是介于所述粗糙度轮廓及其平均线之间的表面，或者粗糙度轮廓在评定长度之上的大小(taille)的绝对值的积分：

R_{a} = \frac{1}{l} {&Integral;}_{0}^{l} | Z (x) | dx

[13]-总偏差(écart)(Rt)，其是在整个评定长度上介于所述粗糙度轮廓的最高点和最低点之间的竖直偏差。

[14]-不平度平均深度(Rz)，其是连续取样长度的简单深度Rzi的算术平均值(符号“i”代表连续取样长度，所述长度可以标识为在所述表面轮廓中具有峰-见图2)。

R_{z} = \frac{1}{n} (R_{z 1} + R_{z 2} + . . . + R_{zn})

[15]2)力学模型

[16]如此得到的粗糙度参数随后用于已知的不同模型以确定力学性能。可以将这些模型分成两类：

[17]-表面因子模型(Ks)，和

[18]-粗糙度对疲劳强度影响模型。

[19]2.1)Ks因子建模

[20]因子Ks被定义为：具有一定表面粗糙度的给定试样的疲劳极限与参考试样的疲劳极限的比值，所述参考试样的表面状态被选为基准。

Ks = \frac{σ_{DS}}{σ_{D}}

[21]σ_D：表面状态被选作基准的试样的疲劳极限。

[22]σ_DS：具有一定表面粗糙度的试样的疲劳极限。

[23]提供了多个模型以定义被称为“表面状态因子”的Ks的值。

[24]Stieler(1954)基于关于几何缺陷的应力集中理论，提出了类型如下的公式：

Ks = \frac{(1 + 2 \sqrt{\frac{1}{C}} + \sqrt{\frac{1}{R}})}{(1 + 2 \sqrt{\frac{1}{C}})}

[25]其中：

[26]C：是和机加工相关的因子，

[27]R：被定义成等于2Rt/Sg，

[28]其中Sg：代表引发疲劳裂纹的过程中所涉及的材料的最大厚度。Stieler证明在转动挠曲试验中，Sg为材料的晶粒尺寸的数量级。

[29]Niemann和Glaubitz(1952)通过如下类型的公式对其在平面挠曲试验中获得的试验结果进行建模：

\frac{σ_{DS}}{σ_{D}} = {(\frac{Rt}{Rts})}^{n}

[30]其中：

[31]Rts：为具有一定表面粗糙度的给定试样的粗糙度，

[32]Rt：为基准试样的粗糙度，

[33]σD：为基准试样的疲劳极限，

[34]σDS：所考虑的试样的疲劳极限，

[35]n：取决于材料的系数。

[36]Brand等人(CETIM，1980)通过平滑化大量的可用数据建立了一张图板(abaque)，其具有呈负斜率的直线，这些负斜率的直线对于粗糙度Rt标准的不同数值，根据断裂强度Rm给出Ks(表面状态因子)。

[37]2.2)粗糙度对疲劳强度影响的建模：

[38]一般应用两种方法以便根据粗糙度来预测疲劳寿命：

[39]-基于缺口效应(effet d′entaille)的方法，

[40]-基于断裂力学的方法。

[41]2.2.1)缺口效应

[42]缺口效应方法应用了有效的应力集中因子Kf的经典定义，所述因子是一光滑试样的疲劳极限σD和带缺口的试样的疲劳强度σD极限的比值。该系数Kf一般小于理论的应力集中因子Kt。其它作者，尤其是Neuber(1957)、Smith等人(1970)，他们提出了关联Kf与因子Kt的关系式。对于较小的Kt值，Peterson(1959)建立了一经验关系式，其确定Kf因子如下：

K_{f} = 1 + (K_{t} - 1) (1 + \frac{α}{ρ})

[43]其中Kt：为所述应力集中因子，

α = 0.0254 {(\frac{2070}{Rm})}^{18}

[44]α：与材料相关的常数，

[45]ρ：缺口半径。

[46]Arola和Williams(2002)根据粗糙度参数Ra、Rt和Rz和缺口底部的平均半径ρ和参数n给出了Kt的表达式，其中参数n是取决于载荷类型的因子(对于剪切载荷，n＝1，而对于均匀拉伸载荷，n＝2)。

K_{t} = 1 + n (\frac{R_{a}}{ρ}) (\frac{R_{t}}{R_{z}})

[47]因子Kt随后用于建立确定因子Kf的经验关系式。

[48]2.2.2)断裂力学

[49]考虑到表面粗糙度形成可被认同为裂纹的缺口，可应用断裂力学的结果。因此，疲劳状态下的性能通过ΔKth来表征，ΔKth是应力强度因子的阈值的变化量(variation)。Kitagawa(1976)在双对数图线上示出该阈值ΔKth随裂纹长度的变化，在所述双对数图线上可看到由一条水平直线代表的基准疲劳极限(在光滑的试样上)，随后可看到一条阈值曲线，所述阈值曲线表现为斜率为-1/2的直线。这些直线之间的转换限定一区域，在该区域中试验数据远离理论曲线。

[50]Taylor和Clancy(1991)将这些曲线与粗糙度标准Rmax进行比较，并比较了通过所述两种方法完成的预测与所述试验结果。他们总结到：对于较小的粗糙度，断裂力学方法很适合。但是，对于较大的粗糙度，基于缺口效应的方法得出的结果更佳。对应这两条理论曲线的交点的Rmax的值可以给出基于断裂力学的预测有效性的界限，在所述界限之上所述预测就变得相当保留了。在任何情况下，Rmax看来均成为最具意义的表面标准。实际上，该标准令人满意地表示出最大缺口(缺口效应)的深度，或者裂纹的最大长度(断裂力学)。

[51]Andrews和Sehitoglu(2000)通过按照裂纹是短的或者长的进行区分，来研究裂纹传播和出现的应力集中因子。随后，他们提出了应力集中的表达式，所述表达式考虑到所述缺口并排时应力集中的张弛。

[52]2.3)评述

[53]在实际应用中，构件的疲劳强度尤其被表面几何轮廓所影响。所述轮廓的形状起伏影响到疲劳裂纹的出现或传播。不过，考虑到所述起伏的模型并非基于这些起伏的实际形状，而是基于轮廓测定的简化几何描述。源于这些描述的参数有多个，但对于所有类型的起伏，所述参数中没有一个能保证使用该参数的力学模型的适合性。时而适合使用其中一个，时而适合使用另一个，而且一般说来只有依靠经验可以解决。因此，这使得不进行预先试验就不能表征所述疲劳强度。

[54]本发明的目标在于根据构件表面状态来表征构件疲劳强度的新工序，所述工序允许摆脱对该轮廓进行任何的纯几何描述(通过传统参数如粗糙度系数Ra、Rt、Rz等)，从而倾向关注与所考虑构件的疲劳强度直接相关的构件力学描述。

发明内容

[55]根据本发明的一方面，从通过当前的表面光度仪获得的2D或者3D的表面轮廓的数字化，以便直接计算通过该轮廓在表面产生的局部应力场的变化。因此这涉及到设置力学标准的测量体系(

)，所述力学标准与表面几何性相关联，从而对所述表面进行疲劳定性。

[56]因此，本发明提出了基于构件表面状态来表征构件疲劳强度的方法，所述方法包括以下步骤：

[57]-数据测定步骤：测定几何数据，这些数据描述应被确定疲劳强度的区域的表面轮廓。

[58]-将所述数据应用到计算模型，从而估计所述构件的所述区域内的机械应力场。

[59]-从所述应力场的估计中推导出所述构件的疲劳特性的至少一特征量。

[60]必须注意的是，由于可基于所得的表面轮廓直接估计所述应力场而无需通过确定几何系数如粗糙度系数，考虑到可能的起伏不能被任何的几何模型抵消，因此可实现对特性的估计。

[61]根据本发明的可加以组合的有利特征：

[62]-表征所述区域表面轮廓的数据的确定(或者测定)步骤包括测量该区域的几何轮廓的子步骤，在实际操作中所述测量通过任何已知的探头仪完成；但是可以考虑其它技术，尤其纯光学的、电气的、声学的、热学的技术，

[63]-表征所述表面轮廓的所述数据测定/确定步骤包括采样子步骤，这可以减小必要的存储器的大小，而不存在完全抵消(neutraliser)表面起伏的风险；优选地，所述采样子步骤设计成使得表征所述表面轮廓的数据的数量降低至少10倍(réduire d′au moins un facteur 10)；但是，如果所述计算方法允许，可以考虑不用采样，

[64]-表征所述表面轮廓的所述数据确定步骤包括过滤子步骤，例如用于去除倾斜效应或者构件的几何效应(例如对于圆柱形构件，曲率与其直径相关)，

[65]-表征所述表面轮廓的所述数据确定步骤包括根据所述计算模型进行调整的调整子步骤，这可以保证所述计算模型要求的格式得以体现，

[66]-所述数据所应用到的所述计算模型是有限元计算模型或者其变型(XFEM、BARSOOM等)，这对应一熟知的计算工具；不过，也可以考虑其它计算模型，例如特别是其它数字方法如粒子数字模型、有限差分或者谱线差分、积分方法，

[67]-所述计算模型考虑了所述构件的厚度；有利地，所述厚度为在所述区域的表面下至少0.5mm，优选至少1mm，无论所研究的表面轮廓如何，这显得完全足够用于正确估计应力场；不过，所述厚度可以根据现有技术针对不同情况进行优化，

[68]-对于每个计算元(所用计算模型的有限元或者数字元等)，所述计算模型沿所述区域的两条或者三条主轴确定应力值，比较起采用单一主轴，这可以更好地估计所述应力场，

[69]-所述计算模型只应用于离所述构件的所述区域的边界至少一非零的距离处，例如离所述边界至少1mm，从而避免边界效应(除非能将所述效应考虑到所述计算模型中)，

[70]所述疲劳特性的特征量是最大的应力集中系数，这是对应当前的测量体系所提供的，所述当前的测量体系同时使用几何模型和力学模型；基于本发明所用的数字模型可以轻易获得其它量值，如在厚度中的应力分布。

附图说明

[71]在参考附图以非限定性实施例的方式给出的后续阐述中，本发明的目标、特征和优点将得以体现，附图包括：

[72]图1是一图表，示意性示出基于构件表面轮廓来表征构件疲劳强度的步骤，

[73]图2是一示意图，示出标记为Rz的粗糙度系数，

[74]图3是一图表，示意性示出符合本发明的方法的步骤，其与图1所用形式类似，

[75]图4是本发明给出的方法的一实施方式的实施示意图表，

[76]图5是该方法的第一实施步骤的示意图表，

[77]图6是一曲线图，示出机加工试样在17.5mm的长度上的轮廓，

[78]图7是所述方法的第二实施步骤的示意图表，

[79]图8是一曲线图，示出所获得的轮廓及修正过的轮廓，

[80]图9是所述方法的第三实施步骤的示意图表，

[81]图10是一曲线图，示出修正过的轮廓及其一细部，

[82]图11是一曲线图，示出修正过的轮廓及所述细部，所述细部分解成为有限元，

[83]图12是第四实施步骤的示意图表，

[84]图13是一曲线图，示出了局部应力场，

[85]图14是所述方法的第五实施步骤的示意图，

[86]图15是一曲线图，示出在不同试样上获得的Wohler曲线，和

[87]图16是一曲线图，示出通过应力系数修正后在相同试样上获得的Wohler曲线，所述应力系数由在所述第五步骤所获得的系数确定。

具体实施方式

[88]根据本发明，在一力学模型中使用轮廓测量，而不经过意味着确定粗糙度系数的中间的轮廓几何建模。该测量体系在图3中示意性表示出来：所述力学模型直接使用在一力学模型中的轮廓记录，从而确定一个或者多个力学参数，例如应力集中系数。

[89]所述测量体系的方法如图4所示，包括如下步骤：

[90]-通过确定(或者测定(relèvement))数据来获取表面轮廓的步骤，其中所述数据表征所考虑构件的所选区域的表面轮廓，

[91]-可能的轮廓处理步骤(在某些情况下，该步骤可以并入所述表面轮廓的数据的采集中)，

[92]-将可能处理过的轮廓导入一计算模型中，这重新回到将所述数据应用于一计算模型，

[93]-应用所述计算模型，从而估计采集了表面轮廓的所述区域中的机械应力场，

[94]-计算结果的处理，从而从所述应力场的估计中推导出该应力场的至少一特征量(例如Kt)，并因而推导出所考虑构件的疲劳特性。

[95]这些不同步骤的细节概括如下。

[96]步骤1：获取表面轮廓

[97]所述表面的几何状态在该步骤中测量出(参见图5)。所述几何状态通过任何合适已知类型的测量仪(接触器或光学装置)加以确定，测量仪例如符合NF-ISO 3274标准(1977年6月)的探头仪，其实施前面已引用过的ISO-4287/1 1984(E/FR)标准(1984)的条款。

[98]所获得的轮廓，也就是说或者是总轮廓(直接轮廓或者粗轮廓)，或者主要轮廓(profil primaire)(实际上，在减去所分析的构件的所述区域的标称形状之后，且可能应用了低通滤波器)，以数字方式加以记录，且随后被应用在所提供的测量体系中。

[99]图6以实施例的方式示出了机加工过的试样的表面轮廓，所述轮廓通过“Mahr Perthometer-PKG 120”类型的表面光度仪获得。

[100]在所考虑的实施例中，对于所有表面范围，选取17.50mm的评定长度作为基准长度。未经过滤器所获得的直接轮廓(所述总轮廓或者直接轮廓)通过由所述表面光度仪提供的一可用功能以ASCII码的形式加以记录。所述轮廓包括形状偏离、起伏、周期性粗糙度或者准周期性粗糙度(条纹和条痕)以及非周期性粗糙度(剥落、工具痕迹和裂缝、穿孔等)。

[101]步骤2：处理所述轮廓

[102]有利的是，在所述第一步骤中获得的轮廓随后被取样、修正和调整(见图7)。所述取样的优点在于减小所需存储器的尺寸和减少计算时间。可以采用多种取样方法，例如，以固定的频率，以邻域平均值(valeurmoyenne de voisinage)等。可以通过不同过滤器(filtre)修正所述轮廓以去除不需要的参数，如倾斜度。对结果可能进行的调整显示出是将该轮廓纳入后面的计算模型中所必要的。

[103]图8以较图6更精细的比例示出了在所述第一步骤中获得的轮廓的一细部以及处理完后的该同一轮廓。在所考虑的实施例中，所述处理步骤通过一计算软件完成。在一选取的固定频率进行所述取样方法，从而减少取样点的数量，从11000点的数量级减到约550点，且没有进行其它任何修正。随后，通过减去轮廓平均值和轮廓的算术偏差来调整轮廓的高度。第一点和/或最后一点要求符合高度等于零的条件，且间距等价于所述被采样频率。

[104]在该步骤中使用的软件为SCILAB软件。在附录A中实施并示出了控制命令行。观察图8可注意到：所获得的轮廓被平滑化了，且由于取样，某些周期性或者准周期性的粗糙度和非周期性粗糙度消失了。

[105]步骤3：将轮廓导入计算模型，这里是有限元计算模型

[106]经修正的轮廓随后被导入用于确定应力场的计算模型中(参见图9)。有利的是，这涉及一有限元计算模型。所述导入根据所选的软件而有所不同。几何性、边界条件和假设以合适的方式固定从而可以计算所述应力场。

[107]这里借助计算软件SAMCEF-Asef实现从经过处理的轮廓(图10)到有限元网格化(décomposition)(图11)的转换。该软件需要一输入数据库，且数据类型是由文本编辑器生产的特殊格式。

[108]在这里所考虑的实施例中，通过设置一对称平面考虑了5mm的厚度，这对应模型中10mm的等价厚度(在线的两侧，其中沿该线获得所述轮廓)。通过表示均匀分布的载荷的线性弹性行为及边界条件的假设，简化了所述计算。网格的尺寸和数量通过可用存储器区域和所需的计算时间加以限制。为了方便该步骤中的工作，实施软件SCILAB的控制命令行，以使基于经过处理的轮廓生成计算文件(数据库)；所述控制命令行在附录B中给出。

[109]步骤4：计算应力场，这里是通过有限元进行计算

[110]该步骤(见图12)通过有限元计算软件实现。考虑一个或者多个参数以体现这样获得的应力场。

[111]图13示出了运行所述有限元计算软件SAMCEF所选模块asef所获得的结果(见步骤3)以计算所述应力场。只保留了距离1mm和距离16.5mm之间的结果组，从而消除边界效应(在0-1mm区间和16.5-17.5mm区间上)，此时深度为1mm。所述结果被记录从而在下面的步骤中进行处理。

[112]两个结果(主轴上的应力和所考虑的有限元的坐标)通过后处理(英文为“post-process”)命令被记录到所述数据库中。

[113]步骤5：处理结果

[114]这里可以对源于所述应力场计算步骤的数据进行不同的处理，从而从所述应力场的估计中推导出所考虑构件(至少在所研究的区域)的疲劳特性的至少一特征量，例如应力集中系数。

[115]作为实施例，步骤4中所估计的应力场的应力除以标称应力，从而计算经典的应力集中系数。于是，可以基于这些系数计算几何状态对疲劳强度的影响的一个或者多个特性参数。

[116]作为实施例，计算出最大应力集中系数。

[117]图15和图16示出了使用所获得的结果的实施例：疲劳试验的结果通过所获得的最大应力集中因子Kt进行修正，所述疲劳试验的结果由图15的Wohler曲线示出(见图16)。通过比较图15和图16，可观察到不同表面状态之间的偏差通过所测得的Kt进行的修正(相乘)而大大减小。

[118]因此，确立了如下观点：所提出的测量体系能提供用于承受机械载荷的构件的表面状态的质量指示。所述测量体系的优点在于：无需通过几何参数，因此从理论上讲无需了解一种特殊类型的起伏对构件寿命的影响。

附件A：用于进行步骤2的工作的Scilab控制命令行

附件B：用于进行步骤3的工作的Scilab控制命令行

Claims

1.基于构件表面状态来表征构件疲劳强度的方法，所述方法包括以下步骤：

-数据测定步骤：测定几何数据，这些数据描述应被确定疲劳强度的区域的表面轮廓，

-将所述数据应用到计算模型，从而估计所述构件的所述区域内的机械应力场，

-从所述应力场的估计中推导出所述构件的疲劳特性的至少一特征量。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，表征所述区域的表面轮廓的所述数据测定步骤包括测量该区域的几何轮廓的子步骤。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，表征所述表面轮廓的所述数据测定步骤包括采样子步骤。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，所述采样子步骤设计成使得表征所述表面轮廓的数据的数量降低至少10倍。

5.按照权利要求2到4中任一项所述的方法，其特征在于，表征所述表面轮廓的所述数据测定步骤包括过滤子步骤。

6.按照权利要求2到5中任一项所述的方法，其特征在于，表征所述表面轮廓的所述数据测定步骤包括根据所述计算模型进行调整的调整子步骤。

7.按照权利要求1到6中任一项所述的方法，其特征在于，将所述数据所应用到的所述计算模型是有限元计算模型。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述计算模型考虑了所述构件的在所述区域的表面下为至少0.5mm的厚度。

9.按照权利要求1到8中任一项所述的方法，其特征在于，对于每个计算元，所述计算模型沿所述区域的至少两条主轴确定应力值。

10.按照权利要求1到9中任一项所述的方法，其特征在于，所述计算模型只应用于离所述构件的所述区域的边界至少一非零的距离处。

11.按照权利要求1到10中任一项所述的方法，其特征在于，所述疲劳特性的特征量是最大的应力集中系数。