CN117191371A - 随机载荷下合并高载的耐久性试验方法 - Google Patents

随机载荷下合并高载的耐久性试验方法 Download PDF

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CN117191371A CN202311147709.XA CN202311147709A CN117191371A CN 117191371 A CN117191371 A CN 117191371A CN 202311147709 A CN202311147709 A CN 202311147709A CN 117191371 A CN117191371 A CN 117191371A
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贺小帆
党霖薇
唐鼎承
韩亮
王金宇
辛浩
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Abstract

本发明公开了随机载荷下合并高载的耐久性试验方法，包括：对载荷谱进行预处理；获取标识载荷参数，对预处理后的载荷谱合并高载；基于合并高载后的载荷谱，构建耐久性试验载荷谱；基于所述耐久性试验载荷谱进行耐久性试验，获取裂纹扩展数据。本发明在不产生额外损伤或损伤可忽略的前提下，在耐久性试件断口留下易于辨识的标识线，得到试件裂纹萌生和扩展长度和对应寿命数据。

Description

随机载荷下合并高载的耐久性试验方法
技术领域
本发明属于飞机结构的耐久性分析领域，尤其涉及随机载荷下合并高载的耐久性试验方法。
背景技术
为了保证飞机结构的安全，有必要对飞机结构进行耐久性分析和试验，以确定飞机结构的经济寿命。在经济寿命评定中，需要得到结构在载荷谱作用下的裂纹扩展(a，t)数据集。因此，有必要进行结构模拟耐久性试验，测量裂纹扩展(a，t)数据，给出裂纹尺寸随飞行时间的变化规律。
目前，裂纹长度测量方法(随机谱下耐久性试验)有：(1)表面直读法；采用光学显微镜记录试验过程中裂纹扩展，并直接记录裂纹长度。但由于表面直读观测多为三维裂纹的疲劳裂纹尖端存在误差，使得结果偏危险；(2)原位电子计算机断层扫描(ComputedTomography，CT)；工业CT用于实时获取拉伸载荷作用下裂纹的形状和尺寸，但时间和经济成本高。因此，目前直接、准确、简便的疲劳试验后断口测量法多被采用，即根据疲劳载荷在断口上留下的痕迹，确定裂纹形状，结合随机载荷谱组成确定裂纹尺寸。但是，根据目前的试验结果，由于随机载荷谱组成的复杂性，一方面很难在断口上留下可辨识的痕迹，另一方面，即使有痕迹，也很难匹配载荷谱组成给出准确的结果。因此，开发准确、快速、简便的耐久性试验方法迫在眉睫。
此外，结构形式、材料和载荷谱构成影响标识载荷痕迹的形态。不同金属材料的晶体结构、织构和析出相等不同，在不同疲劳载荷下的疲劳行为也存在差异。不同的耐久性试件具有不同的几何形状和裂纹形态，这也会导致其疲劳行为变化。随机谱的组成也是一个重要的影响因素。考虑上述因素，合并高载法避免引入额外损伤，能良好的控制标识载荷引入的误差。随机谱中前10级高载的峰值大小与其余载荷峰值的关系、高载的作用次数等参数在疲劳试验中，因高载迟滞效应、载荷对断裂面粗糙度的影响等在结构模拟件上留下不同的痕迹，因此如何考虑上述因素确定合理的标识载荷参数，是本发明所提合并高载法的重点。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出随机载荷下合并高载的耐久性试验方法，在不产生额外损伤或损伤可忽略的前提下，在耐久性试件断口留下易于辨识的标识线，得到试件裂纹萌生和扩展长度和对应寿命数据。
为实现上述目的，本发明提供了随机载荷下合并高载的耐久性试验方法，包括：
随机载荷下合并高载的耐久性试验方法，其特征在于，包括：
对载荷谱进行预处理；
获取标识载荷参数，对预处理后的载荷谱合并高载；
基于合并高载后的载荷谱，构建耐久性试验载荷谱；
基于所述耐久性试验载荷谱进行耐久性试验，获取裂纹扩展数据。
可选地，对载荷谱进行预处理包括：
按从大到小，对载荷谱峰值进行排序，获取前若干级峰值大小对应系数和出现次数；
确定前若干级峰值位置，获取峰值大小和对应载荷谱中的位置；
获取预设载荷谱参数：载荷谱波形、总循环数、对应飞行小时数FH、载荷谱中的频率。
可选地，所述标识载荷参数包括：载荷波形、峰值、谷值、循环数和位置。
可选地，获取所述标识载荷参数包括：
获取标识载荷合并位置和大小；
获取标识载荷循环数。
可选地，获取标识载荷合并位置和大小包括：
确定合并起始点；
确定合并间隔；
确定标识载荷大小；
确定标识载荷中相邻载荷的频率；
确定标识载荷波形。
可选地，确定合并起始点包括：
基于试验目标寿命和对应的载荷谱循环数，获取合并的起始点对应寿命和按全寿命期载荷谱循环数计算得到的对应循环数；
在预设的全寿命期载荷谱循环数附近找距所述对应循环数最近的前若干级高载中的最高级载荷，记录对应的最高级载荷峰值和循环数，即为标识载荷合并起始点。
可选地，确定合并间隔包括：
基于全寿命载荷谱，从D0开始，以[N0/20]为间隔，依次寻找距离D0+l[N0/20]最近，并在(D0+l[N0/20]-[N0/50]、D0+l[N0/20]+[N0/50])(l＝1,2,…,)范围内的最高级载荷，遍历循环数；记录对应的载荷峰值Fmax,l和位置Dl(l＝1,2,…,nmax)，其中，nmax为过程中记录的最高级载荷的次数，Dl(l＝1,2,…,nmax)即为标识载荷合并位置，N0指全寿命期载荷谱循环数，D0是指距N0/3最近的前10级高载中的最高级载荷对应的循环数。
可选地，获取标识载荷循环数包括：
根据随机谱参数设置标识载荷循环数；
采用Newman的闭合模型计算标识载荷循环数。
可选地，根据随机谱参数设置标识载荷循环数包括：
基于全寿命载荷谱，从D0开始，依次寻找(Dl，Dl+1)区间内载荷峰值为Fmax,l的载荷(l＝1,2,…,nmax)，并记录Dl在(Dl，Dl+1)区间出现的位置Dl,1,o(o＝0,1,…,nl,1)，nl,1为峰值为Fmax,l载荷在此区间出现次数nl,1；
取标识载荷循环数ΔN＝[N0/200]，若nl,1≥[N0/200]，则以Dl为起点，将(Dl,Dl+1)区间前ΔN载荷峰值为Fmax,l的载荷和对应谷值Fmin,l合并；若nl,1<ΔN，则先将(Dl,Dl+1)区间前nl,1载荷峰值为Fmax,l的载荷和对应谷值Fmin,l合并；
增加次高级载荷，在(Dl,Dl+1)区间找距Dl最近的前若干级峰值中的次高级载荷，对应的次高级载荷峰值记为Fmax,l,2，记录对应的载荷峰值Fmax,l,2和位置Dl,2,p(p＝0,1,…,nl,2)，其中，nk,2为次高级载荷出现的次数；
若nl,1+nl,2≥ΔN，以Dl+nl,1为起点，将(Dl,Dl+1)区间前[N0/200]-nl,1载荷峰值为Fmax,l,2的载荷和对应谷值Fmin,l,2合并；若nl,1+nl,2<ΔN，则按上述方法，在(Dl,Dl+1)区间找距Dl最近的前10级峰值中的第q级载荷，记录其峰值Fmax,l,q和位置Dl,q,r(r＝0,1,…,nl,q)，直至最终合并高载的级数dl。
通过在随机载荷谱特定位置合并合适的高载循环(记为标识载荷)，在材料/结构裂纹扩展中，由于合并的高载裂纹扩展速率较大，在断口上留下不同粗糙度的痕迹(标识线)，通过断口判读，即可识别裂纹位置、形态，测量裂纹尺寸，获取结构在载荷谱作用下的裂纹扩展(a，t)数据集。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明采用合并高载标识载荷的耐久性试验方法，在不产生额外损伤或损伤可忽略的前提下，在耐久性试件断口留下易于辨识的标识线，根据标识线在耐久性试验载荷谱中的位置，得到试件裂纹萌生和扩展长度和对应寿命数据。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的断口判读时标识线示意图；
图2为本发明实施例的合并高载法流程示意图；
图3为本发明实施例的2024铝合金含孔试件图；
图4为本发明实施例的部分载荷谱示意图；
图5为本发明实施例的裂纹扩展分析有限元计算结果示意图；
图6为本发明实施例的原随机谱和含标识载荷随机谱裂纹扩展数值模拟a-N曲线示意图；
图7为本发明实施例的合并高载法示意图；其中，(a)合并高载前；(b)合并高载后；
图8为本发明实施例的2-1试件断口图；
图9为本发明实施例的试件2-2断口图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
通过在随机载荷谱特定位置合并合适的高载循环(记为标识载荷)，在材料/结构裂纹扩展中，由于合并的高载裂纹扩展速率较大，在断口上留下不同粗糙度的痕迹(标识线)，通过断口判读，即可识别裂纹位置、形态，测量裂纹尺寸。
本发明所提出的随机载荷下合并高载的耐久性试验方法的主要步骤包括：
载荷谱预处理；提取载荷谱主要参数，为标识载荷参数确定提供基础；
标识载荷参数确定；基于Newman的闭合模型进行裂纹扩展分析，确定标识载荷参数；
编制耐久性试验载荷谱。在随机载荷谱中合并合适的高载循环，形成耐久性试验载荷谱。
耐久性试验。采用耐久性试验载荷谱进行疲劳试验，通过断口判读获取裂纹扩展(a,t)数据。
标识载荷参数确定方法
(1)标识载荷参数确定原则
1)原随机载荷谱载荷大小和主要载荷顺序不因合并的高载循环而改变；
2)合并高载循环后会改变随机载荷谱产生的损伤，差异应小于5％，在易于辨识的前提下，标识线宽度尽量小；
3)在断口上能留下光学显微镜(放大倍数不超过100倍)下即可判读的标识线，标识线宽度平均值0.01mm≤bave≤0.05mm，最大宽度不超过0.1mm；
4)标识线间距合理；断口上可判读的标识线不少于10条，标识线宽度小于标识线间隔的十分之一。通常要求在裂纹长度0.25mm≤a≤10mm范围内标识线间隔在0.2-0.5mm范围。
(2)标识载荷参数
标识载荷参数包括：标识载荷波形、峰值、谷值、循环数和位置；
(3)标识载荷确定方法
采用有限元法对耐久性试件进行裂纹扩展分析，从而确定标识载荷参数，然后进行耐久性摸索试验，根据试验后断口判读，判断标识载荷是否合理。如果不合理，则对裂纹扩展分析方法进行修正，重新分析标识载荷参数。
确定标识载荷参数后，包括合并起始点、合并间隔、标识载荷峰值大小、频率和波形，才能进行合并高载，然后通过裂纹扩展分析，计算标识载荷循环数(标识载荷参数之一)。
本实施例所提出的方法的具体实施步骤包括：
S1.载荷谱预处理
(1)按从大到小，对载荷谱峰值进行排序，获取前10级峰值大小对应系数pi、出现次数si(i＝1,2,…,10)；
(2)确定前10级峰值位置，获取峰值大小和对应载荷谱中的位置Di,j(i＝1,2,…,10；j＝1,2,…,si)，即
(3)获取载荷谱主要参数：获取载荷谱波形，总循环数N，对应飞行小时数FH，载荷谱中的频率fk,k＝0,1,…,2N-2。
S2.标识载荷参数确定
S2.1.标识载荷合并位置和大小
根据试验目标寿命要求，确定标识载荷合并位置，需要确定合并起始点和间隔。
(1)合并起始点确定
若试验目标寿命为T0、对应的载荷谱循环数为N0，则合并的起始点对应寿命为T0/3、按全寿命期载荷谱循环数计算得到的对应循环数为[N0/3]。在全寿命期载荷谱循环数为([N0/3]-[N0/50]，[N0/3]+[N0/50])附近找距[N0/3]最近的前10级高载中的最高级载荷，对应的最高级载荷峰值记为Fmax,0、循环数记为D0，即为标识载荷合并起始点。
(2)合并间隔确定
基于全寿命载荷谱，从D0开始，以[N0/20]为间隔，依次寻找距离D0+l[N0/20]最近、在(D0+l[N0/20]-[N0/50]，D0+l[N0/20]+[N0/50])(l＝1,2,…,)范围内的最高级载荷，遍历循环数。记录对应的载荷峰值Fmax,l和位置Dl(l＝1,2,…,nmax)，其中，nmax为过程中记录的最高级载荷的次数，Dl(l＝1,2,…,nmax)即为标识载荷合并位置。D0是指距N0/3最近的前10级高载中的最高级载荷对应的循环数；[N0/20]指代目标是每隔[N0/20]安排一组标识载荷，但不是严格[N0/20]，需要将标识载荷的位置安排在每隔[N0/20]附近的高级载荷处(减小高载迟滞效应带来的含标识载荷随机谱和原随机谱寿命误差)；D0+l[N0/20]就是每隔[N0/20]，合并高载，使得用含标识载荷载荷谱进行耐久性试验后，试件断口有多条标识线，这些标识线对应的寿命是根据标识载荷所处循环数确定的。
(3)标识载荷大小
标识载荷峰值FP,l＝Fmax,l，谷值为随机谱中与峰值相邻的前一个谷值FV,l＝Fmin,l。
(4)标识载荷中相邻载荷的频率
标识载荷中相邻载荷的频率取载荷谱中原峰值和谷值的频率fk的最大值，即f＝maxfk(k＝1,2,…,2N-1)；
(5)确定标识载荷波形。原则上标识载荷的波形与原随机谱波形相同。
S2.2.标识载荷循环数
按预设若干标识载荷循环数ΔN合并随机载荷谱中高载循环，形成耐久性载荷谱，进行耐久性载荷谱下的裂纹扩展有限元计算，获得裂纹扩展a-N数据，根据标识载荷参数确定原则，确定标识载荷循环数，过程如下：
(1)根据随机谱参数设置标识载荷循环数
1)基于全寿命载荷谱，从D0开始，依次寻找(Dl，Dl+1)区间内载荷峰值为Fmax,l的载荷(l＝1,2,…,nmax)，并记录Dl在此区间出现的位置Dl,1,o(o＝0,1,…,nl,1)，nl,1为峰值为Fmax,l载荷在此区间出现次数nl,1；
2)取标识载荷循环数ΔN＝[N0/200]，若nl,1≥[N0/200]，则以Dl为起点，将(Dl,Dl+1)区间前ΔN载荷峰值为Fmax,l的载荷和对应谷值Fmin,l合并；若nl,1<ΔN，则先将(Dl,Dl+1)区间前nl,1载荷峰值为Fmax,l的载荷和对应谷值Fmin,l合并；
3)然后增加次高级载荷，在(Dl,Dl+1)区间找距Dl最近的前10级峰值中的次高级载荷，对应的次高级载荷峰值记为Fmax,l,2，记录对应的载荷峰值Fmax,l,2和位置Dl,2,p(p＝0,1,…,nl,2)，其中，nk,2为次高级载荷出现的次数；
4)若nl,1+nl,2≥ΔN，以Dl+nl,1为起点，将(Dl,Dl+1)区间前[N0/200]-nl,1载荷峰值为Fmax,l,2的载荷和对应谷值Fmin,l,2合并；若nl,1+nl,2<ΔN，则按上述方法，在(Dl,Dl+1)区间找距Dl最近的前10级峰值中的第q级载荷，记录其峰值Fmax,l,q和位置Dl,q,r(r＝0,1,…,nl,q)，直至最终合并高载的级数dl；
(2)采用Newman的闭合模型计算裂纹扩展过程，验证标识载荷循环数合理性，方法为：
1)根据结构关键部位特征确定初始裂纹形态
关键部位特征和初始裂纹形态见表1。
表1初始裂纹形态
序号 关键部位类型 初始裂纹形态 尺寸
1 孔 孔壁半圆形裂纹 深度0.05mm
2 R角 表面半圆形裂纹 深度0.05mm
3 焊缝 表面半圆形裂纹 深度0.05mm
4 棱边 棱边1/4角裂纹 深度0.05mm
… … … …
2)裂纹扩展分析
采用FRANC3D和Abaqus软件进行裂纹扩展分析。
a)结构建模
①建立完整的有限元模型：在Abaqus软件中建立结构关键部位几何模型并划分网格(不含裂纹)，对结构关键部位施加大小与第1级峰值载荷相等的静载，分析计算结果，提取最大应力节点编号，对危险部位建立集合；
②定义子模型：采用FRANC3D定义裂纹扩展区域为子模型利用危险部位集合，对导入的模型进行剖分处理；
③引入裂纹：按表1在FRANC3D中引入对应初始裂纹，采用应力最大节点编号确定初始裂纹位置，并将裂纹旋转至合适的位置，设置裂纹尖端网格，重新划分子模型网格。
b)裂纹扩展分析
①合并子模型和全局模型，在Abaqus中设置疲劳载荷分析步，疲劳载荷分别采用原始全寿命期载荷谱和经合并高载的耐久性试验载荷谱，提交Abaqus计算分析；
②在FRANC3D中，采用位移法计算应力强度因子；
③设置裂纹扩展参数：在FRANC3D中选择疲劳裂纹扩展，采用最大剪应力设置扭转角度判据，循环载荷扩展模型中选用Newman闭合模型，如式(1)和(2)所示，根据实际材料设置对应材料常数；
式中，ΔK0＝C3(1-C4·σop/σmax)； C1-C5为实验确定的材料常数；β为无量纲应力强度因子；系数C5值取断裂时的应力强度因子，它对应着通过疲劳裂纹扩展试验中失效时弹性应力强度因子KIC与所施加的最大疲劳应力水平关系曲线上的最大KIC值；有效应力强度因子门槛值ΔK0由应力强度因子门槛值ΔKth通过下式确定；
式中，R为应力比；σmax为最大应力；σop为张开应力。采用厄米闭合多项式拟合对裂纹前缘进行拟合。
c)分析结果
采用疲劳寿命预测模块，沿裂纹前缘定义路径，分别绘制a-N曲线；分别计算全寿命期载荷谱下寿命Nori和合并高载后耐久性试验载荷谱下寿命Na，若误差ε＝|Nori-Na|/Na≤5％，则合并高载法合理，否则ΔN′＝[N0/150]，按(1)中方法合并高载，再进行裂纹扩展分析，计算寿命并修正标识载荷循环数，直至合并高载后载荷谱寿命与原随机谱寿命误差ε≤5％。
S3.试验检验
随机抽取1根试件，进行含耐久性试验随机谱下疲劳试验，试验过程中采用表面直读方法读取裂纹扩展信息，为断口判读提供指导。试验结束后，在光学显微镜下对断口进行判读。
S3.1.判断标识线原理
(1)标识载荷作用下裂纹扩展较快，断口上该区域较为粗糙，在光学显微镜下光泽不同，数字图片上的灰度不同，形成肉眼可辨识标识线；
(2)标识线的形状和扩展方向保持一致，其法线方向汇合位置为裂纹萌生源区，示意图见图1；
(3)随着裂纹长度的增加，标识线宽度逐渐增加；
(4)标识线间隔随裂纹扩展进程增大。
S3.2.断口判读方法
记录试件断裂时的循环数Nc，计算试件总寿命Nt＝FH×Nc/N，确定断口上标识线后，测量各个标识线对应裂纹长度，并与寿命匹配：
(1)计算断口标识线对应的寿命
1)若D0<Nc<D1，则最大可能标识线数量nml＝1，若Nc>D0+ΔN，则最后一条标识线对应寿命为Nt,1＝FH(D0+ΔN)/N；若D0<Nc<D0+ΔN，最后一条标识线对应寿命为Nt,1＝FH×Nc/N；
2)对于Dl<Nc<Dl+1(l＝1,2,…,nmax)，最大可能标识线数量nml＝l+1，若Dl+ΔN<Nc<Dl+1，最后一条标识线对应寿命为Nt,1＝FH(Dl+ΔN)/N；反推倒数第二条标识线对应寿命Nt,2＝FH(Dl-1+ΔN)/N；
3)若Dl<Nc<Dl+Ns，最后一条标识线对应寿命为Nt,1＝FH×Nc/N；反推倒数第二条标识线对应寿命Nt,2＝FH(Dl-1+ΔN)/N；以此类推；
(2)将试件在放大倍数3-5倍的光学显微镜下，首先观察断口表面半圆(孔壁裂纹)或四分之一扇形圆弧线(孔角裂纹)，判断裂纹萌生位置，拍摄断口照片；
(3)在断口确定最后一条标识线，然后从远离裂纹萌生位置的长裂纹对应标识线向靠近裂纹萌生位置依次读取裂纹长度，测量裂纹长度时选择标识线的最高点，如图1所示，并按步骤(1)确定标识线对应的寿命；在此倍数下可以比较准确的读取长0.5mm以上的裂纹尺寸；
(4)然后在放大倍数5-25的光学显微镜下，读取裂纹长0.1-0.5mm的裂纹，确定对应的寿命，获取裂纹扩展(a，t)数据，断口上实际标识线总数量nprac，记录裂纹长度0.25mm≤a≤10mm范围内，标识线数量nu；
(5)将表面直读法与合并高载法获取的裂纹扩展(a，t)数据对照，判断合并高载法合理性。
S3.3.修正标识载荷参数
分析断口上是否留下了可供判读的标识线，标识线是否清晰，标识线的宽度和间距是否合理。如果违反标识载荷参数确定原则，则通过断口判读信息修正裂纹扩展模型，方法如下：
(1)判断频率f是否合理：
原理：随机谱中，相同频率下，振幅不同的疲劳载荷因试验机动载误差使得控制波形与试件实际波形误差存在差异，但进行耐久性试验时，必须保证试验过程中误差均在5％以内，且误差尽量小，此外，为提高耐久性试验效率，试验频率应尽量大，因此，应在试验中对比原随机载荷与插入的高载之间误差情况，通过调整标识载荷频率保证耐久性试验载荷谱局部误差均与整体误差一致。
方法：判断原随机载荷谱与标识载荷谱目标和反馈波形误差，若标识载荷谱目标和反馈波形误差较大，则f′＝0.8f，若标识载荷谱目标和反馈波形误差较小，则f′＝1.2f，若误差相同，f′＝f。
(2)判断标识线是否清晰：是，则保持不变；否则，取消原标识载荷中的最高级载荷，增加合并更低一级的高载。
(3)判断标识线数量(间隔)是否合理，即裂纹长度0.25mm≤a≤10mm范围内，标识线数量6≤nu≤12：
若nu>18，则取消D1,D3,D5,…处的合并的高载；
若12≤nu≤18，则取消D2,D5,D8,…处的合并的高载；
若6≤nu≤12，则不变；
若0≤nu≤6，则在已合并的d级高载基础上，按5.2.2方法增加d+1级高载。
(4)确定修正后的标识载荷循环数：采用上述修正后的标识载荷参数进行裂纹扩展分析，确定标识载荷循环数ΔN′。
(5)判断标识线循环数是否合理：标识线宽度平均值应0.01mm≤bave≤0.05mm：测量标识线宽度bz(最宽位置)，计算标识线宽度平均值若bave<0.01，则ΔN″＝1.5ΔN′，若bave>0.05，则ΔN″＝0.5ΔN′，若0.01mm≤bave≤0.05mm，则ΔN″＝ΔN。
S3.4.正式试验
进行正式试验，记录试件断裂时总循环数，试验结束后进行断口判读，获取裂纹扩展(a，t)数据，计算裂纹长度0.25mm≤a≤10mm范围内标识线数量和宽度平均值，如需调整，按S3.3.修正标识载荷参数，合并高载法流程见图2。
下面本实施例以2024铝合金含孔试件为例，介绍合并高载法的耐久性试验方法，试件图和尺寸见图3，部分载荷谱内容见图4。
S1.载荷谱预处理
S1.1.对载荷谱峰值进行排序，获取前10级峰值大小对应系数pi、出现次数si(i＝1,2,…,10)，见表2。
表2载荷谱峰值载荷
p1 0.8370 s1 560
p2 0.8525 s2 915
p3 0.9000 s3 165
p4 0.7600 s4 178
p5 0.6880 s5 546
p6 0.7530 s6 287
p7 0.7460 s7 312
p8 0.6750 s8 645
p9 0.6800 s9 102
p10 0.6750 s10 165
(2)确定前10级峰值位置，获取峰值大小和对应载荷谱中的位置Di,j(i＝1,2,…,10；j＝1,2,…,si)，见表3。
表3峰值载荷对应载荷谱中的位置(循环数)
D1,1 147 D2,1 154 D3,1 111 … D10,1 197
D1,2 169 D2,2 394 D3,2 248 … D10,2 286
D1,3 245 D2,3 511 D3,3 369 … D10,3 492
D1,4 398 D2,4 548 D3,4 748 … D10,4 1046
D1,5 475 D2,5 649 D3,5 861 … D10,5 1847
D1,6 491 D2,6 1456 D3,6 944 … D10,6 6945
D1,7 516 D2,7 2481 D3,7 987 … D10,7 7745
D1,8 749 D2,8 2914 D3,8 1594 … D10,8 8416
… … … … … … … … …
D1,560 28777 D2,915 28145 D3,165 27496 … D10,165 28461
(3)获取载荷谱主要参数：获取载荷谱波形，总循环数N＝28754，对应飞行小时数FH＝1267飞行小时，载荷谱中的频率fk,k＝0,1,…,57506，见表4。
表4载荷谱中相邻载荷的时间间隔(单位：Hz)
S2.标识载荷参数确定
S2.1.标识载荷合并位置和大小
根据试验目标寿命要求，确定标识载荷合并起始点和位置。
(1)合并起始点
试验目标寿命T0＝18000飞行小时、对应的载荷谱循环数为N0＝408502，则合并的起始点对应寿命为6000飞行小时、按全寿命期载荷谱循环数计算得到的对应循环数[N0/3]为136167。在全寿命期载荷谱循环数为(127997，144337)附近找距136167最近的前10级高载中的最高级载荷，最高级载荷峰值Fmax,0＝0.8370、循环数D0＝135625，即为标识载荷合并起始点。
(2)合并间隔确定
基于全寿命载荷谱，从D0＝135625开始，以20425为间隔，依次寻找离距离135625+20425l最近、(135625+20425l-8170，135625+20425l+8170)(l＝1,2,…,)范围内的最高级载荷，遍历循环数。记录对应的载荷峰值Fmax,l和位置Dl(l＝1,2,…,nmax)，见表5，其中，过程中记录的最高级载荷的次数nmax＝13。
由此得到的Dl(l＝1,2,…,nmax)即为标识载荷合并间隔。
表5记录的载荷峰值和位置
Fmax,0 0.8370 D0 135625
Fmax,1 0.9000 D1 156564
Fmax,2 0.7460 D2 177033
Fmax,3 0.8525 D3 197422
Fmax,4 0.7600 D4 217946
Fmax,5 0.9000 D5 238353
Fmax,6 0.8370 D6 258714
Fmax,7 0.7460 D7 279219
Fmax,8 0.7460 D8 299521
Fmax,9 0.7370 D9 320040
Fmax,10 0.8525 D10 340469
Fmax,11 0.7600 D11 360879
Fmax,12 0.9000 D12 381249
Fmax,13 0.8370 D13 401721
(3)标识载荷大小
标识载荷峰值FP,l＝Fmax,l，谷值为随机谱中与峰值相邻的前一个谷值FV,l＝Fmin,l，见表6。
表6标识载荷峰值和谷值
(4)标识载荷中相邻载荷频率
标识载荷中相邻载荷频率取载荷谱中频率的最大值，即f＝maxfk＝15Hz。
(5)确定标识载荷波形为正弦波。
S2.2.标识载荷循环数
(1)根据随机谱参数设置标识载荷循环数
1)基于全寿命载荷谱，从D0＝135625开始，依次寻找(Dl，Dl+1)区间内载荷峰值为Fmax,l的载荷(l＝1,2,…,nmax)，并记录Fmax,l在此区间出现的次数nl,1。
2)取标识载荷循环数Ns＝[N0/200]＝2043，由于nl,1＝2346≥[N0/200]，则以Dl为起点，将(Dl，Dl+1)区间前2043循环，载荷峰值为FP,0的载荷和对应谷值FV,0合并。
3)记录最终合并高载的级数d＝1；
(2)采用Newman的闭合模型计算标识载荷循环数，方法为：
1)根据结构关键部位特征确定初始裂纹形态
见表1。
2)裂纹扩展分析
采用FRANC3D和Abaqus软件进行裂纹扩展分析。
a)结构建模和b)裂纹扩展分析方法见S.2.2，有限元计算云图见图5。
c)分析结果
采用疲劳寿命预测模块，沿裂纹前缘定义路径，分别绘制a-N曲线，见图6；分别计算全寿命期载荷谱下寿命Nori＝406817和合并高载后载荷谱下寿命Na＝404176，误差ε＝0.65％<5％，因此合并高载法合理，图7为原随机谱和上述标识载荷参数确定的含合并高载循环的全寿命期耐久性谱；其中图7(a)合并高载前，图7(b)合并高载后。
S.3.试验验证
取1根试件，命名为2-1，进行耐久性试验随机谱下的疲劳试验，试验过程中采用表面直读方法读取裂纹扩展信息。
S.3.断口判读
试验结束后，在光学显微镜下，按S3.1和S3.2方法对断口进行判读。确定断口上标识线后，测量各个标识线对应裂纹长度，并与寿命匹配：
(1)计算试件2-1断口标识线对应的寿命
Nc＝371869，鉴于D11<Nc<D12，试件总寿命Nt＝FH×Nc/N＝16386，最大可能标识线数量nml＝12，由于D11+ΔN<Nc<D12，最后一条标识线对应寿命为Nt,1＝FH(D11+ΔN)/N＝15992，反推倒数第二条标识线对应寿命Nt,2＝FH(D10+ΔN)/N＝15092，以此类推确定其余可能的标识线对应寿命，见表7。
表7试件2-1可能的标识线对应寿命
寿命/飞行小时
Nt,1 15992
Nt,2 15092
Nt,3 14192
Nt,4 13288
Nt,5 12393
Nt,6 11490
Nt,7 10593
Nt,8 9693
Nt,9 8789
Nt,10 7891
Nt,11 6989
Nt,12 6066
(2)将试件在放大倍数3-5倍的光学显微镜下，如图8所示，首先观察断口表面四分之一扇形圆弧线(孔角裂纹)，判断裂纹萌生位置，拍摄断口照片。
(3)在断口确定最后一条标识线，然后从远离裂纹萌生位置的长裂纹对应标识线向靠近裂纹萌生位置依次读取裂纹长度，测量裂纹长度时选择标识线的最高点，如图7所示，并按步骤(1)计算的寿命确定标识线及其裂纹长度对应的寿命；在此倍数下可以比较准确的读取长0.5mm以上的裂纹尺寸。
(4)然后在放大倍数5-25的光学显微镜下，读取裂纹长0.1-0.5mm的裂纹，确定对应的寿命，断口上实际标识线总数量nprac＝12，裂纹长度0.25mm≤a≤10mm范围内，标识线数量nu＝9，获得的(a，t)数据见表8。
表8获得试件2-1的a-t数据
寿命/飞行小时 a/mm
Nt,1 15992 12.00
Nt,2 15092 8.61
Nt,3 14192 6.13
Nt,4 13288 4.11
Nt,5 12393 2.60
Nt,6 11490 1.78
Nt,7 10593 1.26
Nt,8 9693 0.88
Nt,9 8789 0.55
Nt,10 7891 0.33
Nt,11 6989 0.22
Nt,12 6066 0.14
(5)表面直读法获取的裂纹扩展(a，t)数据见，同寿命裂纹长度差异小于2％，判断合并高载法参数合理。
表9表面直读法获取试件2-1的裂纹扩展(a，t)数据
S3.2.修正标识载荷参数
(1)判断频率f是否合理：试验过程中观察目标载荷与反馈载荷波形，耐久性试验载荷谱波形误差较小，则f′＝1.2f。
(2)由于标识线清晰，因此保持标识载荷不变。
(3)由于裂纹长度0.25mm≤a≤10mm范围内，标识线数量6≤nu≤12，因此标识线数量(间隔)合理。
(4)确定修正后的标识载荷参数：采用上述修正后的标识载荷参数进行裂纹扩展分析，确定标识载荷循环数ΔN′＝2163。
(5)裂纹长度0.25mm≤a≤10mm范围内标识线宽度见表10，由于bave＝0.038mm>0.03mm，因此，ΔN″＝1082。
表10试件2-1内标识线宽度
寿命/飞行小时 a/mm bz/mm
Nfh,1 14214 12.00 0.100
Nfh,2 13416 8.61 0.091
Nfh,3 12616 6.13 0.057
Nfh,4 11812 4.11 0.042
Nfh,5 11017 2.60 0.035
Nfh,6 10213 1.78 0.027
Nfh,7 9414 1.26 0.023
Nfh,8 8615 0.88 0.020
Nfh,9 7813 0.55 0.018
Nfh,10 7014 0.33 0.016
Nt,11 6989 0.22 0.012
Nt,12 6066 0.14 0.010
S3.3.正式试验
取1根试件，命名为试件2-2，按S3.2.修正后的标识载荷参数确定的含标识载荷的随机谱和目标载荷进行疲劳试验。
(1)计算断口标识线对应的寿命
Nc＝395692，鉴于D12<Nc<D13，试件总寿命Nt＝FH×Nc/N＝17436，最大可能标识线数量nml＝13，由于D12+ΔN<Nc<D13，最后一条标识线对应寿命为Nt,1＝FH(D12+ΔN)/N＝16889，反推倒数第二条标识线对应寿命Nt,2＝FH(D10+ΔN)/N＝15992，以此类推确定其余可能的标识线对应寿命，见表11。
表11试件2-2可能的标识线对应寿命
寿命/飞行小时
Nt,1 16889
Nt,2 15992
Nt,3 15092
Nt,4 14192
Nt,5 13288
Nt,6 12393
Nt,7 11490
Nt,8 10593
Nt,9 9693
Nt,10 8789
Nt,11 7891
Nt,12 6989
Nt,13 6066
(2)将试件分别在放大倍数3-25倍的光学显微镜下，如图9所示，断口表面为四分之一扇形圆弧线(孔角裂纹)，裂纹萌生位置为图9右下角孔角处，断口上实际标识线总数量nprac＝13，裂纹长度0.25mm≤a≤10mm范围内，标识线数量nu＝10，获得的(a，t)数据见表12。
表12获得试件2-2的(a，t)数据
寿命/飞行小时 a/mm
Nt,1 16889 11.86
Nt,2 15992 8.40
Nt,3 15092 5.70
Nt,4 14192 3.92
Nt,5 13288 2.77
Nt,6 12393 1.96
Nt,7 11490 1.38
Nt,8 10593 0.91
Nt,9 9693 0.54
Nt,10 8789 0.39
Nt,11 7891 0.29
Nt,12 6989 0.21
Nt,13 6066 0.15
(3)试件2-2断口标识线清晰，间隔合理，标识线宽度见表13，均值bave＝0.042mm，因此标识载荷参数合理。
表13试件2-2标识线宽度
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.随机载荷下合并高载的耐久性试验方法，其特征在于，包括：
对载荷谱进行预处理；
获取标识载荷参数，对预处理后的载荷谱合并高载；
基于合并高载后的载荷谱，构建耐久性试验载荷谱；
基于所述耐久性试验载荷谱进行耐久性试验，获取裂纹扩展数据。
2.根据权利要求1所述的随机载荷下合并高载的耐久性试验方法，其特征在于，对载荷谱进行预处理包括：
按从大到小，对载荷谱峰值进行排序，获取前若干级峰值大小对应系数和出现次数；
确定前若干级峰值位置，获取峰值大小和对应载荷谱中的位置；
获取预设载荷谱参数：载荷谱波形、总循环数、对应飞行小时数FH、载荷谱中的频率。
3.根据权利要求1所述的随机载荷下合并高载的耐久性试验方法，其特征在于，所述标识载荷参数包括：载荷波形、峰值、谷值、循环数和位置。
4.根据权利要求1所述的随机载荷下合并高载的耐久性试验方法，其特征在于，获取所述标识载荷参数包括：
获取标识载荷合并位置和大小；
获取标识载荷循环数。
5.根据权利要求4所述的随机载荷下合并高载的耐久性试验方法，其特征在于，获取标识载荷合并位置和大小包括：
确定合并起始点；
确定合并间隔；
确定标识载荷大小；
确定标识载荷中相邻载荷的频率；
确定标识载荷波形。
6.根据权利要求5所述的随机载荷下合并高载的耐久性试验方法，其特征在于，确定合并起始点包括：
基于试验目标寿命和对应的载荷谱循环数，获取合并的起始点对应寿命和按全寿命期载荷谱循环数计算得到的对应循环数；
在预设的全寿命期载荷谱循环数附近找距所述对应循环数最近的前若干级高载中的最高级载荷，记录对应的最高级载荷峰值和循环数，即为标识载荷合并起始点。
7.根据权利要求5所述的随机载荷下合并高载的耐久性试验方法，其特征在于，确定合并间隔包括：
基于全寿命载荷谱，从D0开始，以[N0/20]为间隔，依次寻找距离D0+l[N0/20]最近，并在(D0+l[N0/20]-[N0/50]、D0+l[N0/20]+[N0/50])(l＝1,2,…,)范围内的最高级载荷，遍历循环数；记录对应的载荷峰值Fmax,l和位置Dl(l＝1,2,…,nmax)，其中，nmax为过程中记录的最高级载荷的次数，Dl(l＝1,2,…,nmax)即为标识载荷合并位置，N0指全寿命期载荷谱循环数，D0是指距N0/3最近的前10级高载中的最高级载荷对应的循环数。
8.根据权利要求4所述的随机载荷下合并高载的耐久性试验方法，其特征在于，获取标识载荷循环数包括：
根据随机谱参数设置标识载荷循环数；
采用Newman的闭合模型计算标识载荷循环数。
9.根据权利要求4所述的随机载荷下合并高载的耐久性试验方法，其特征在于，根据随机谱参数设置标识载荷循环数包括：
基于全寿命载荷谱，从D0开始，依次寻找(Dl，Dl+1)区间内载荷峰值为Fmax,l的载荷(l＝1,2,…,nmax)，并记录Dl在(Dl，Dl+1)区间出现的位置Dl,1,o(o＝0,1,…,nl,1)，nl,1为峰值为Fmax,l载荷在此区间出现次数nl,1；
取标识载荷循环数ΔN＝[N0/200]，若nl,1≥[N0/200]，则以Dl为起点，将(Dl,Dl+1)区间前ΔN载荷峰值为Fmax,l的载荷和对应谷值Fmin,l合并；若nl,1<ΔN，则先将(Dl,Dl+1)区间前nl,1载荷峰值为Fmax,l的载荷和对应谷值Fmin,l合并；
增加次高级载荷，在(Dl,Dl+1)区间找距Dl最近的前若干级峰值中的次高级载荷，对应的次高级载荷峰值记为Fmax,l,2，记录对应的载荷峰值Fmax,l,2和位置Dl,2,p(p＝0,1,…,nl,2)，其中，nk,2为次高级载荷出现的次数；
若nl,1+nl,2≥ΔN，以Dl+nl,1为起点，将(Dl,Dl+1)区间前[N0/200]-nl,1载荷峰值为Fmax,l,2的载荷和对应谷值Fmin,l,2合并；若nl,1+nl,2<ΔN，则按上述方法，在(Dl,Dl+1)区间找距Dl最近的前10级峰值中的第q级载荷，记录其峰值Fmax,l,q和位置Dl,q,r(r＝0,1,…,nl,q)，直至最终合并高载的级数dl。
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