机加工缺陷对于寿命的影响分析

杨波

【摘 要】结构材料和零部件生产过程中也不可避免的会存在未被发现的缺陷和损伤，由于上述原因，致使结构过早的产生裂纹，如果这些裂纹扩展失控就会导致结构提前疲劳断裂破坏。F-111飞机机翼枢轴就是因带有未被发现的初始缺陷扩展失控而发生灾难性事故。经验表明，无论采用什么样的质量控制手段，在材料内部，加工制造过程和装配过程，以及使用过程中都难免存在或引入损伤，这些损伤对于产品的寿命会产生一定的影响。

【关键词】损伤；疲劳寿命；断裂破坏；S-N曲线

某零件A模块和B模块由于机加工中心失误，导致弹簧产生0.1mm厚度的阶差（如图1所示），使得此位置可能由于应力集中导致疲劳强度降低，产生影响，使得零部件的使用寿命受到影响。

1 试验内容及过程

对于机加工缺陷产生的对于产品寿命的影响，通过试验和理论计算分析来说明机加工缺陷对于产品寿命的影响。试验分析过程如下：

1）弹簧材料45 SiCrMo6（45SCD6）的疲劳特性数据

使用23个试验样本进行疲劳试验，确定应力比R=Fmin/Fmax=0.2的S-N曲线；

2）零件A和零件B模块弹簧耐久试验

确定耐久性试验周期（交变应力、平均应力、循环次数等），计算弹簧的使用寿命限制。

2 试验结果及分析

2.1 理论计算分析

通过有限元计算A模块和B模块的弹簧的最大范式等效应力，相关计算结果如下：

2.2 材料疲劳试验：

制作材料45SiCrMo6（45SCD6）的钢材样本（与弹簧材料一致）用于疲劳试验，试验样本数23个，拉伸应力比R=Fmin/Fmax=0.2；通过试验室结果拟合计算出三条交变应力-寿命分析曲线（简称S-N曲线），如图2所示：

2.3 A模块和B模块耐久试验

2.3.1 A 模块和B模块等效寿命计算

已知A模块和B模块的耐久性载荷谱。为了简化疲劳试验寿命谱，使用线性累计损失准则（Palmgren-Miner法则）建立等效试验寿命，平均应力校核使用了Goodman方法，该方法允许不同的应力范围进行调节。等效疲劳寿命计算方法示意如下图：

综上所述，得出的A模块和B模块的等效寿命结果如表2所示：表2 A模块和B模块等效寿命结果表

2.3.2 机加工缺陷试验样件的耐久性试验：

机加工缺陷试验件的耐久性试验，A模块采用了一个样本，B模块采用了三个样本，其中样本二试验过程中未破裂。

对于A模块，88181/662116=13%，由于只做了一个样本试验，将寿命限制降级到8%。对于评价平均试验循环使用的是几何算法，而不是算术算法，得出的寿命限制384939/771433=50%，具体数据如下：

3 结论

综合上述分析，由于机加工缺陷，对于A模块和B模块的寿命都产生了一定的影响，飞机设计使用寿命是60000个循环，那么A模块限制寿命为60000*8%=4800，B模块限制寿命为60000*50%=30000。

所以生產过程中对于零部件产生的缺陷对于产品的寿命有一定的影响。

【参考文献】

[1]姚卫星.结构疲劳寿命分析[M].国防工业出版社，2003.

[2]Thang Bui-Quoc.Cumulative damage with interaction effect due to fatigue under torsion loading[J].Experimental Mechanics，1982（5）：180-187.

[3]王正，王增全，何洪.随机载荷循环作用下的机械结构疲劳寿命预测模型[J].中国机械工程，2012（1）.

[4]赵永祥.应变疲劳可靠性分析的现状与展望[J].机械工程学报，2001，17（11）：1-6.

[责任编辑：田吉捷]