孔径变化对中心孔铝板材疲劳性能的影响研究

孙晓红 贾雅静 张天阔 马立勇 吴宏宇

摘   要：文章以高铁用2224铝合金板材为研究对象，通过ANSYS仿真疲劳试验，得到不同中心孔直径下的铝合金的疲劳性能。根据数据分析，中心孔直径越大，应力集中对疲劳寿命的影响越明显，相应铝板的疲劳寿命也越短。

关键词：中心孔;2224铝合金;直径;应力集中;疲劳性能

中心孔铝板材在受拉过程中，中心孔口区域应力集中，使得铝板材整体寿命降低。另外，中心孔的直径不同，对铝合金板材整体的疲劳寿命影响程度也不相同[1-3]。

在铝合金疲劳寿命方面，国外对2224铝合金的研究较早，1981年，Pickens[4]研究发现在T3510热处理状态下，2224铝合金在抗拉强度方面比没有经过热处理的铝合金高;在2224铝合金疲劳性能方面，1996年，Starke等[5]比较了7XXX系列、2X24系列的高强度铝合金疲劳性能，研究了2224铝合金延伸率、密度;2001年，John[6]研究了2224铝合金型材抗拉强度，发现其纵向抗拉强度大于490 MPa，延伸率大约16%。

国内方面，1992年国家科学技术委员会将2224铝合金T3510状态下挤压型材的研制纳入“八五”攻关计划[7];赵刚等[8]研究了2224铝合金T3510拉伸变形对挤压型材性能的影响。研究发现，在淬火后，预拉伸可以消除残余应力并提高材料的屈服强度;徐晨玲等[9]研究了2224铝合金的加工工艺及其抗拉强度，伸长率，屈服强度等性能;郑丽静等[10]制备亚微米2224铝合金，制备工艺采用径角压（Equal Channel Angular Pressing，ECAP）的金属加工方法（等通道挤出法），结合热处理，测量了亚微米状态的2224铝合金的伸长率和拉伸强度;2014年，孙晓红等[11]研究了2224铝合金的高周疲劳性能，并分析了其宏观和微观断裂特征，提供了2×24铝合金力学疲劳性能研究的科学依据。

本文以高铁用中心孔铝合金为研究对象，对其不同中心孔径下的疲劳寿命进行数值仿真研究，并给出以孔径作为自变量的疲劳寿命拟合数学模型。

1    数值实验及分析

利用有限元分析软件，建立了6种不同中心孔径铝板的有限元模型。使用标记代码1—6将模型导入ANSYS的工作台，并在材料的两端施加70 MPa的拉伸载荷。载荷应力比为 R=0.1。求解后，得到了不同中心孔径的铝板模型的疲劳寿命和最大静应力。具体数据如表1所示。

将D/W拟合为多项式函数会产生各种D/W中心孔直径材料的疲劳寿命N0。使用拟合模型分析和计算疲劳寿命N并将其与N0进行比较，可以测试拟合曲线的精度，如表2所示。

从表1中的数据可以看出，中心孔的直径越大，应力集中对疲劳寿命的影响越明显。相应铝板模型的相应疲劳寿命较小，拟合曲线如图1所示。设x=D/W，y=lgN ，y与x呈4次多项式函数关系其关系表达式为：

y=26.63x4-40.32x3+15.87x2-3.42x+5.9  （1）

表2数据表明，模型5的拟合值与数据分析值相差较大，但其他模型的误差很小，证明式（1）可以拟合，结果正确。

2    结语

本文采用高铁中心孔铝合金研究了中心孔直径对2224铝合金疲劳寿命的影响。结果表明，中心孔直径越大，应力集中对疲劳寿命的影响越明显，铝板的疲劳寿命越短。中心孔直径与材料的疲劳寿命的关系式为：y=26.63x4-40.32x3+15.87x2-3.42x+5.9。

[参考文献]

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[4]PICKENS J R.Aluminum power metallurgy technology for high-strength applications[J].Materials Science，1981（6）：1437-1457.

[5]STARKE J R，Staley J T.Application of modern aluminum alloys to aircraft[J].Progress in Aerospace Sciences，1996（3）：131-172.

[6]JOHN L，KULAK M.A new paradigm in the design of aluminum alloys for aerospace applications[J].Materials Science Forum，2000（16）：331-337.

[7]姜澄宇，王俊彪.我国大型飞机研制中的关键制造技术[J].航空制造技术，2009（1）：28-31.

[8]赵刚，刘春明，黄宏涛.高纯硬铝2224-T3510挤压型材组织性能的研究[J].有色矿冶，1999（2）：33-37.

[9]许晨玲，张可伟.2224铝合金挤压件T3510处理工艺研究[J].轻合金加工技术，2001（11）：33-35.

[10]郑立静，邓江宁，张焱，等.采用ECAP制备亚微晶铝合金及其力学性能[J].东北大学学报（自然科學版），2002（7）：694-696.

[11]孙晓红.2224铝合金板材的疲劳性能研究[D].长沙：中南大学，2014.

Effect of pore size variation on fatigue properties of aluminum plate with central hole

Sun Xiaohong1， Jia Yajing2， Zhang Tiankuo3*， Ma Liyong3， Wu Hongyu3

（1.CRRC Qingdao Sifang Co.， Ltd.， Qingdao 266111， China;2. Zhangjiakou Cigarette Factory Co.， Ltd.， Zhangjiakou 075000， China;3.Hebei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract：This paper taking 2224 aluminum alloy sheet for high-speed rail as the research object， the fatigue performance of aluminum alloy under different center hole diameters was obtained by ANSYS simulation fatigue test. According to the data analysis， the larger the diameter of the central hole， the more obvious the influence of stress concentration on the fatigue life， and the fatigue life of the corresponding aluminum plate is reduced.

Key words：center hole; 2224 aluminum alloy; diameter; stress concentration; fatigue performance