GH4169高温合金在弯曲载荷作用下安装边转角结构的力学行为

安装边结构不仅可使零部件紧密地装配在一起，实现定位、密封和载荷传递等功能，而且具有易于装拆、便于检修及更换零件等优点，在机械工程中得到了广泛使用。以航空发动机机匣为例，受实际使用工况影响，安装边处受力状态主要以内外压差、轴向力和弯矩等载荷引起的弯曲应力为主，应力分布复杂[1]，是结构的危险部位，其结构力学响应行为直接关系到整个机匣和发动机的服役安全和寿命，对该处进行结构强度分析和试验研究是十分必要的[2]。

国内外针对安装边结构的应力分布和结构设计优化开展了试验和仿真模拟研究。HSPKumar等[3]通过计算分析方法对燃气涡轮发动机安装边厚度、高度等在不同轴向力和气体压力下的应力和变形进行了分析。谢慧敏等[4]通过有限元，对机匣安装边连接结构整体应力及应变分布进行了分析。艾延廷等[5-6]对机匣安装边螺栓连接结构进行了深入研究，并通过计算对安装边结构和减重进行了优化设计。籍永青等[7]针对复合材料机匣安装边设计了结构模拟件，开展了强度性能试验和损伤分析。通常，设计人员采用基础材料力学性能数据或对其加以修正估算结构的性能，但估算结果往往具有较大误差，分析应用亦会偏离结构的真实使用性能和寿命，难以满足结构设计的要求[8-10]，而使用部件进行试验不仅过程复杂，而且成本高，指导价值有限。通过设计安装边结构特征模拟件开展强度试验来对该结构力学行为进行研究，可以填补材料级到部件级正向设计缺失的特征结构试验研究内容，为安装边转角的结构设计、强度分析及寿命评估等研究奠定试验基础。

GH4169合金在650℃以下具有优异的综合性能[11-13]，用其制备的发动机机匣安装边结构具有良好的连接刚性和强度。机匣安装边转接部位往往采用台阶、圆角等结构形式实现机匣壳体的过渡，为研究不同转角尺寸的安装边结构在弯曲静力和疲劳加载作用下的结构响应，提取安装边结构特征，选用GH4169合金设计制备了安装边结构模拟件。采用位移控制的加载方式来模拟弯曲载荷，对具有不同转角尺寸的安装边结构在弯曲静力和疲劳加载作用下的结构响应、载荷传递和失效模式等进行试验研究，并结合有限元计算进行分析讨论。

1、试验材料、模拟件设计及试验方法

试验用GH4169高温合金主要成分见表1，为了解选用材料的基础性能，选用了如图1所示的试验件进行拉伸试验，通过在工作段正反两面粘贴应变片的方法，在拉伸试验后获得其静力拉伸条件下的应力应变曲线。试验使用岛津AG250KNE型电子拉伸试验机，位移控制，加载速率2mm/min。

发动机机匣部件为筒体结构，对安装边进行结构特征提取后的模拟件设计及加载示意图见图2。由于机匣筒体相比模拟件尺寸具有较大的尺寸优势，模拟件形状近似于在机匣筒体的安装边位置进行切割取样。模拟件在安装边一侧开设螺栓孔用于模拟装配约束，平直的悬臂来模拟机匣薄壁筒体。在转角过渡R处进行针对性的变量设计，设置了R=1.2mm、3mm、5mm三种不同转接圆角尺寸的结构模拟试验件。由于机匣部件是筒体结构，筒体上的每一处结构周围均有材料约束，为避免边缘尺寸效应导致的试验件在边缘启裂，在模拟件的边缘做了针对性的圆角设计，见图2中转角R0.8与R0.1。

试验前，通过螺栓将试验件与工装进行装配，实现端面约束固定，并在图2所示位置粘贴应变片。试验工装通过螺栓固定在试验器上，加载压头固定在试验器的另一端。加载压头在距离模拟件悬臂一端5mm的位置进行加载。室温弯曲静力试验使用CMT4204型电子拉伸试验机，位移控制压头的加载速率为0.5mm/min，加载至16mm时停止试验。分别按照0~5.5mm、0~6mm、0~6.5mm、0~7mm的位移加载范围开展弯曲疲劳试验，使用岛津EHF-100KN低周疲劳试验机，加载频率1Hz，循环直至试验件破坏。每种试验参数下获得3个有效数据后停止试验。

试验过程中使用东华测试DH5921动态应力应变测试分析系统进行应变测试。模拟件断口及形貌使用视频显微镜VHX1000和场发射扫描电子显微镜Sigma500进行观察。

2、试验结果及分析

2.1板形试验件室温拉伸试验结果

板形拉伸试验件的室温拉伸强度见表2，从试验结果来看，材料性能稳定，根据应力及粘贴在工作段上的应变片测试获得的数据绘制的拉伸应力-应变曲线见图3。

2.2模拟件弯曲静力试验结果

不同转角尺寸安装边结构模拟件在室温下的弯曲静力试验加载变形历程见图4，从原始平衡位置0mm下压至最大位移16mm的加载历程中，试验件压头处的载荷-位移曲线的线形规律一致，先经历弹性变形的直线段后，进入塑性变形的曲线段，变形抗力相差不大。

对照载荷-位移曲线可发现，在弹性段部分，贴片处的应变数据也呈线性变化，随着弯曲位移的进一步增加，试验件开始发生屈服，应变-位移曲线也呈非线性变化。但不同转角尺寸的试验件在进入非线性区后，应变-位移曲线呈现出不同的规律，最大变形量与试验结束后的残余变形量呈现明显差异，随着转角尺寸的增加，试验件的最大变形量和残余变形量减小。对载荷位移曲线和应变-位移曲线的直线段进行线性拟合可直观发现，随着试验件转角尺寸的增大，曲线直线段斜率增大。弯曲静力试验后模拟件均未产生裂纹和断裂。

2.3弯曲疲劳试验结果

不同转角尺寸的安装边结构模拟件的弯曲疲劳寿命与加载位移关系见图5，其中带有十字的数据标记点为对应试验条件下的中值对数疲劳寿命。根据中值对数疲劳寿命判断，相同转角尺寸的试验件随着最大加载位移的增大，循环寿命降低；当最大加载位移相同时，随着转角尺寸的增大，循环寿命提高。

对所有试验件的断裂位置与加载端压头之间的距离进行观察后发现，同一转角尺寸试验件在不同加载位移下的断裂位置一致，且随着转角尺寸R的增大，断裂位置向加载位置靠近。以最大加载位移为5.5mm的不同转角尺寸的试验件为例，试验件弯曲疲劳断裂位置及断口形貌见图6。对所有试验件的断裂位置与加载端压头之间的距离进行测量和均值统计，R1.2为53.71mm，R3为51.73mm，R5为50.41mm。

在弯曲疲劳循环加载过程中，试验件变形模式类似于悬臂梁结构的弯曲变形，上表面受拉下表面受压。疲劳试验后，对试验件断口进行显微观察，如图7和图8所示，断口可见明显的放射棱线和疲劳弧线形貌特征，表明断口性质为疲劳，在疲劳扩展区可见与裂纹扩展方向相垂直的疲劳条带和二次裂纹，是低周疲劳扩展的典型微观形貌特征。根据放射棱线汇聚的方向判断，疲劳均起源于试验件受载上表面的中部区域，且呈多源特征，表明裂纹形核的不确定性较大，出现疲劳性能的分散性，同时相比于材料数据手册中利用标准材料试验件获得的疲劳数据而言，由于结构等要素的引入，结构模拟件的疲劳寿命某种程度上仍属随机变量，往往存在一定的离散性。

2.4有限元模拟结果

借助有限元对结构进行数值计算和仿真模拟，与试验结果进行验证分析，是当前安装边结构强度研究的重要手段[14-15]。一些学者对悬臂梁进行的有限元模拟研究[16-17]对于安装边结构的力学行为研究是有借鉴意义的。其中张永超等人[17]的研究成果表明，在进行悬臂梁结构的有限元模拟时实体单元较壳单元具有较小的误差和较高的精度，因此本文选用实体单元对安装边结构的力学行为进行有限元模拟。以室温静力拉伸试验结果作为材料参数输入，密度8.24g/cm3，泊松比0.3[18]。安装边固定端开有螺栓孔，由于其最大应力一般出现在转接圆角根部，计算时可不考虑孔的影响，对模型做适当简化，试验件固定端面整体边界条件为固支，在加载位置施加试验所需的变形位移。以最大加载位移5.5mm的试验件为例进行数值模拟，试验件应力分布云图见图9。

模拟结果表明，试验件承受弯曲载荷发生变形后，上表面受拉，下表面受压，在上表面的圆角过渡区有明显的应力集中现象，高于下表面最大压应力，最大应力点在图中标出。且由于应力集中，R=1.2的试验件在试验件上表面出现了少量的塑性变形。

3、分析与讨论

表3为安装边结构模拟件在承受弯曲载荷作用下通过理论计算、试验测试和有限元模拟得到的结果，从贴片处的静力测试结果和有限元模拟结果的对比可知，有限元模拟结果具有较好的可信度。

以转接圆角的起始边（图10中虚线所示）为X轴零点作沿结构模拟件图示箭头路径的应力传递图，见图10。

试验件在加载端承受弯曲载荷时，载荷沿试验件进行载荷传递，图10中椭圆区域的应力变化主要受弯矩沿试验件平板部分的线性变化影响，而当进入圆角与平板部分的过渡连接区域时，由于试验件刚度发生较大变化引起的应力集中而导致应力在该处发生转折。不同转角尺寸试验件的最大应力点均位于靠近平直段一侧的转接圆弧上，且随着转角尺寸的增大，最大应力位置趋于靠近加载端一侧（见图10中abc三点），该模拟结果同试验件的断裂位置结果趋势一致。以通过理论公式1计算得到的应力作为名义应力，将有限元计算得到的最大应力与名义应力的比值作为该部位的应力集中系数。由于名义应力选用不同转角尺寸试验件有限元模拟得到的最大应力位置处的力臂和抗弯截面模量来参与计算，因此名义应力计算值在R=5时小于R=3。从试验结果可知，随着转接圆角尺寸的增大，应力集中程度趋于缓和，这是由于该结构安装边圆角R处的刚度梯度变化较为平缓导致的。

式中：M为弯矩；F：为加载端测试获得的加载力；L为根据有限元模拟得到的最大应力位置力臂；WZ为抗弯截面模量。

从弯曲静力试验结果可知，拥有不同转角尺寸的试验件在相同加载位移时加载端的力值相差不大，但当载荷传递至转接圆角位置时，由于不同转角尺寸试验件的应力集中程度和抗弯模量存在差异，试验件所谓应力分布和变形规律不同。转接圆角附近的最大应力水平和位置及整体应力分布是导致试验件在弯曲疲劳试验中破坏的主要因素，较大的应力集中系数是试验件疲劳寿命降低的重要原因。

本文通过比较3种不同转接圆角尺寸结构模拟件在弯曲载荷作用下的变形行为、载荷传递和循环寿命来尝试对安装边转接圆角处的力学行为进行研究，但在讨论机匣安装边整体结构时还应充分考虑机匣整体结构设计和包括气体压力分布、螺栓预紧力以及前后装配引入的轴向力等因素。

4、结论

(1)不同转角尺寸试验件在弯曲静力试验下的弹性变形规律一致，屈服后变形规律不同，最大变形量与残余变形量随转角尺寸增大而减小；

(2)试验件循环寿命随转角尺寸的增大而提高，随加载位移增大而降低，相同转角尺寸试验件的疲劳断裂位置一致，且随转角尺寸的增加趋于靠近加载端一侧；

(3)有限元模拟与试验结果较为一致，转角附近应力分布是影响模拟件疲劳寿命的主要因素。

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