7075铝合金疲劳寿命研究及数值模拟

马立勇，张永清，孙晓红

（1. 河北建筑工程学院 机械工程学院，河北张家口，075000；2. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛，266000）

7075铝合金疲劳寿命研究及数值模拟

马立勇1，张永清1，孙晓红2

（1. 河北建筑工程学院 机械工程学院，河北张家口，075000；2. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛，266000）

本文运用有限元分析对7075铝合金板材进行了疲劳寿命数值分析，并将仿真分析结果与理论分析结果进行了对比。分析结果表明，仿真分析与理论分析重合度高，为进一步研究7075疲劳性提供了数值分析依据。

7075铝合金；疲劳寿命；有限元分析

1 有限元建模

1.1 材料的参数

7075高强铝合金的材料参数为：弹性模量E=72GPa，泊松比μ=0.33 ，抗拉强度σb=523MPa。

1.2 有限元模型的建立及计算

用PROE建立7075铝合金标准试样实体模型，导入Workbench后赋予材料属性，选择六面体网格划分，中部横截面积较小处做细化网格处理，有限元模型及网格划分如图1所示。根据模型的几何形状及施加载荷的对称性，选取7075铝合金标准试样模型的1/4进行分析，左端面和底面分别施加对称边界条件，对模型右端面分别施加拉伸载荷σ1=85MPa，σ2=100MPa，σ3=130MPa，σ4=160MPa，利用Workbench分别对四种应力水平下的模型进行计算。

图1 有限元实体模型

2 7075铝合金疲劳性能有限元分析2.1 材料S-N曲线及载荷历程

选择Workbench材料库中7075材料，可以得到应力比为0.1的材料S-N曲线，S-N曲线如图2所示。设置应力循环为R=0.1的正弦波载荷，在标准试样的右侧分别施加σ1=80MPa，σ2=90MPa，σ3=120MPa，σ4=150MPa，为标准试样模型构造与疲劳试验相同的加载条件，循环载荷的时间历程如图3所示，其中一个周期为一个循环。

图2 材料库中7075铝合金材料的S-N曲线

图3 循环载荷的时间历程

2.2 标准试样疲劳寿命仿真结果

设定好材料属性及载荷历程后，通过材料的S-N曲线，关联载荷时间历程与实体模型工况，选取Goodman平均应力修正法，分析7075铝合金标准试样模型的疲劳寿命，计算后得到90MPa下标准试样模型的疲劳寿命为3.2221E5次，如图4所示。同理可得80MPa、120MPa、150MPa下模型的疲劳寿命分别为7.8003E5、7.5981E4和2.4744E4次。

图4 90MPa下标准试样的疲劳寿命云图

由各应力下的应力云图可以看出，当试样两端施加拉伸载荷时，试样的最大应力位于截面积最小处，因为试样两端所受拉力一定，根据公式S=F/A，截面积越小，所受拉力越大，所以先发生断裂；根据试样的疲劳寿命云图可以看出，疲劳寿命最小的地方即应力云图中受力最大的部位，随着应力水平的提高，疲劳寿命逐渐下降这与疲劳试验得出的结论一致。

3 结论

2224铝合金标准试样的疲劳寿命数值模拟过程中，在疲劳试样模型两端施加拉伸载荷后，试样模型所受最大应力位置在试样中间横截面积最小处，与试验中试样断裂位置相同。

在疲劳试样模型两端施加拉伸正弦载荷，应力比R为0.1，疲劳寿命最低处为模型所受最大应力位置，即最小截面处。随着应力载荷的增加，疲劳寿命逐渐减少，与疲劳试验的结论一致。

[1]刘义伦.工程构件疲劳寿命预测理论与方法[M].长沙:湖南科学出版社, 1997:1-10.

[2]徐灏.疲劳强度[M],北京:高等教育出版社, 1988:1-9.

[3]吴富民.结构疲劳强度[M].西安:西北工业大学出版社,1985:1-4.

[4]孙晓红.2224铝合金板材的疲劳性能研究[D].中南大学,2014.

Study and Simulation on Fatigue Life of 7075 Alloy

Ma Liyong1, Zhang Yongqing1, Sun Xiaohong2
（1. School of Mechanical engineering, Hebei University of Architecture, Zhangjiakou Hebei, 075000;2.CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao Shandong, 266000）

In this paper, the fatigue life of 7075 aluminum alloy sheet is analyzed by finite element analysis, and the simulation results are compared with the theoretical analysis results. The results show that the simulation analysis is highly consistent with the theoretical analysis, which provides a numerical basis for further study of fatigue of 7075.

7075 aluminum alloy; fatigue life; finite element analysis

马立勇，男，1987年生，河北张家口人，讲师，主要研究方向为高强铝合金的疲劳强度。

河北省高等学校科学技术研究项目(ZC2016030)，河北省高等学校科学技术研究项目(ZD2016160)，河北建筑工程学院青年基金项目（QN201402）, 河北建筑工程学院青年基金项目（QN201401）。

张永清（通讯作者），女，1964年生，河北张家口人，教授，主要研究方向为高强铝合金的疲劳强度。