杜旭,张腾,何宇廷,张天宇,张胜,冯宇
空军工程大学 航空工程学院,西安 710038
螺栓孔、铆接孔是影响飞机结构寿命和服役使用安全的关键部位,紧固件连接孔发生疲劳断裂是飞机结构常见的失效形式之一。20世纪60年代,波音公司为了减缓飞机金属结构连接孔疲劳裂纹扩展,提出了开缝衬套冷挤压强化的基本概念。美国FTI(Fatigue Technology Inc.)在此基础上开发了更加经济高效的挤压强化工艺,并成功应用到了铝合金和高强度钢材料抗疲劳设计之中。80年代中期,FTI建立了完备的润滑开缝衬套孔冷挤压强化工艺流程和行业标准,从此该技术被国内外各大制造公司采用[1]。国内外学者针对开缝衬套冷挤压强化技术工艺改进[2]、工艺参数优化[3],以及挤压过程数值计算[4]、残余应力场获取[5]、疲劳寿命预测[6-9]和裂纹扩展行为研究[10-12]等方面开展了大量工作。近年来国内学者,在挤压强化铝合金、钛合金、高强度钢的残余应力分布、增寿效果研究方面,开展了大量有意义的工作[13-17],推动了挤压强化技术在中国航空制造等行业的应用[18-19]。
开缝衬套孔冷挤压强化是飞机结构制造维修中最常用的抗疲劳技术。其基本原理:将带润滑效果、轴向开缝的衬套装入待挤压孔中;然后用直径大于开缝衬套内径、硬度大于被强化材料的芯棒挤过连接孔。当芯棒挤过开缝衬套时,衬套张开并挤压孔壁,迫使靠近孔壁区域发生塑性变形;进而在孔边区域引入残余压应力层,实现改善结构受载后孔边应力状态,达到提高裂纹萌生寿命和阻碍裂纹扩展目的。孔冷挤压强化加工包括制预制(初)孔、孔挤压、铰制终孔和检查孔径4个基本工艺步骤。
开缝衬套可避免芯棒和孔壁接触摩擦,有效降低材料向芯棒挤入端和挤出端方向的塑性流动,极大改善残余应力沿厚度方向分布的均匀性;衬套内壁附着的润滑材料,可显著降低芯棒与衬套间的摩擦力,提高挤压加工成品率;同时衬套的存在,使芯棒工作段直径可小于预制孔径,让单边挤压加工成为了可能。工程采用的开缝衬套多由FTI供应,研究衬套加工制备工艺,尽快实现开缝衬套加工国产化,已迫在眉睫[18]。材料在衬套开缝处因发生塑性流动,而导致孔壁处形成“凸脊”。凸脊根部的微裂纹,在疲劳载荷作用下极易发生应力集中[4];凸脊的存在还会影响到紧固件的装配精度。铰制终孔作为挤压强化工艺中的关键环节[1],不仅能够去除凸脊,而且能改善挤压后孔的腰鼓状态,确保装配精度。铰制终孔势必会造成孔壁区域材料约束状态的变化,残余应力场的释放与重构。张飞[4]通过试验和数值计算,定量研究了铰制终孔工艺中铰削量对疲劳寿命的影响规律,指出不同挤压量下的最佳铰削量不同。
基于有限元法(FEM)的孔冷挤压过程数值计算是残余应力场获取的重要方法,相对于机械破坏法、X射线等残余应力测试方法,成本低效率高,且更容易获取沿厚度方向的残余应力分布规律[20-21]。通过数值计算获取挤压强化孔受载后应力集中度是进行疲劳寿命预测的关键,Sun等[9]和关迪[14]在各自的研究中,利用ABAQUS对挤压过程进行三维模拟,并利用ABAQUS软件的用户材料子程序(UMAT)功能,将连续介质损伤力学应用到铝合金强化孔疲劳寿命预测中,取得了满意的结果。朱海[8]针对飞机结构中最常见的连接结构,在对挤压过程三维模拟的基础上,采用应力场强法对连接孔进行疲劳寿命估算。Chakherlou等[22]基于强化结构三维有限元仿真,开展了双侧搭接结构中挤压强化孔的疲劳寿命预测工作。美国空军、加拿大和ersdTM高度重视挤压过程数值模拟方法和软件的开发,并在裂纹扩展分析软件中考虑了残余应力区的影响[11]。
孔冷挤压过程数值计算分为芯棒挤压、移除衬套和铰制终孔3个基本步骤,模拟挤压后精铰孔过程的铰制终孔步骤,是为了确保仿真得到的强化孔直径等于要求的终孔直径。常见的终孔铰销模拟方法有两种:一种是通过删除(Deleting)/杀死(Deactivating)单元层模拟铰制终孔过程;另一种是采用赋应力场法,将芯棒挤压、移除衬套模拟得到的残余应力场作为初始应力状态赋予未变形中心孔板,再删除预先划分的铰销层,模拟铰制终孔。王幸等[7]详细介绍了上述两种方法,并重点分析了不同单元删除方式对残余应力分布的影响。虽然赋应力场法简单易操作、计算成本低,但其无法考虑材料被挤压后的塑性变形,在仿真分析中采用较少。本文中所说的铰制终孔模拟,特指采用直接删除/杀死单元层法。
采用直接删除/杀死单元层法模拟铰制终孔时,需要在有限元建模阶段建立铰销单元层和基体材料单元分界面,将绞削层单元与基体分开;然后在完成芯棒挤压、衬套撤离模拟后,直接删除或杀死铰销层单元[7]。在孔挤压抗疲劳技术的工程应用中,通常依据终孔尺寸、预期增寿目标等,优化设计初孔尺寸和挤压量。由于挤压过程孔壁处塑性变形、卸载过程孔壁处回弹,以及芯棒和衬套压缩量的存在,准确确定铰削分界面相对位置就成为了一个难题。为了便于说明,用铰削分界面距挤压变形前孔壁的距离,表征分界面的相对位置。
确定铰削分界面相对位置的常规方法,是采用多次重复模拟孔冷挤压过程,在摸索中确定分界面位置,这将大大增加计算成本[7]。弹塑性力学分析为有效解决该问题提供了可能,本研究通过挤压强化过程弹塑性分析,得到了连接孔挤压强化过程的二维残余应力应变分布和径向位移变化量,据此建立了铰销分界面相对位置计算模型,并对模型关键参数进行了敏感性分析。
在整个挤压强化工艺流程中,孔挤压步骤进一步可分为挤压和卸载两个基本过程。挤压过程中,开缝衬套和试件被芯棒挤压,并一起沿着径向膨胀;在卸载过程中,材料反向回弹。Guo[5]率先给出了带孔冷挤压孔有限平板的弹塑性分析模型,其强调了卸载过程反向屈服特性的重要性。Zhang等[23]在Guo[5]的模型基础上,详细介绍了卸载过程中应力分布模型,但并未考虑径向位移变形量对应力分布的影响。
采用修正的Ramberg-Osgood模型[24]描述被挤压强化连接孔结构材料的应力-应变行为
(1)
式中:σ和ε分别为被挤压强化连接孔结构材料真实应力、应变;E为被挤压材料的弹性模量常数;σy为被挤压材料初始屈服应力;n为被挤压材料的应变强化指数。
衬套开缝处通常远离结构的危险截面,那么因开缝所导致的危险截面应力分布不均匀性将非常弱[25-26]。在弹塑性分析中可以采用全衬套代替开缝衬套,即挤压强化导致的径向和周向应力均匀分布。则待挤压连接孔将被简化为二维厚壁圆筒受内压的情形。径向应力σr和周向应力σθ满足
(2)
式中:r和θ分别代表极坐标下的径向方向和周向(环向)方向。
对应的径向应变εr和周向应变εθ满足
(3)
根据几何方程,应变分量εr、εθ与径向位移量u之间满足如下基本关系
(4)
(5)
塑性变形区的总应变为弹性应变εe和塑性应变εp之和
ε=εe+εp
(6)
塑性区的应变分量满足
(7)
(8)
根据Hooke定律,弹性应变与应力满足
(9)
(10)
式中:ν为被挤压材料的泊松比。
考虑因材料塑性流动导致的各向异性,塑性区应变和应力满足
(11)
(12)
式中:参数R用来描述材料塑性变形下的各向异性水平,其定义是平面塑性应变向三维塑性应变的转换比,当R=1代表各向同性;Et是单轴应力-应变曲线的切向模量,具体定义为
(13)
如式(9)和式(10)所示,应变由应力制约,那么泊松比ν的取值并不会影响到应力分量求解。令ν=R/(1+R),则弹塑性总应变的分量εr、εθ与应力分量间的关系可表述为
(14)
(15)
需要强调的是,根据σr、σθ计算弹性应变分量时,应采用被挤压材料真实泊松比ν。
芯棒和开缝衬套材料刚度相对较大,在弹塑性应力分析中,假设芯棒和衬套仅发生弹性变形。
1.3.1 衬套应力分析
挤压过程中,衬套受到如图1所示的内外均布压力作用。图1中ts为衬套厚度;D0为连接孔被挤压前的直径;D0-2ts为挤压时开缝衬套的内径;pm和ps分别为挤压时衬套内壁和外壁上的压力值。
图1 挤压过程中衬套受内外压力作用Fig.1 Split sleeve subjected to internal and external pressures during extrusion
衬套厚度通常较小(0.15~0.25 mm),仅取衬套作为分析对象,不属于厚壁圆筒受压范畴。但在挤压过程中,衬套外壁紧贴连接孔孔壁,可以将衬套和连接孔看作一个整体。那么衬套就是厚壁圆筒中的一部分,在仅发生弹性变形情形下,衬套(a-ts (16) (17) 衬套内壁处(r=a-ts)的应力分量为 σr=-pm (18) (19) 那么,衬套内壁处的径向位移量为 us1= (20) 式中:Es和νs分别为衬套的弹性模量和泊松比。 衬套外壁处(r=a)的应力分量为 σr=-ps (21) (22) 那么,衬套外壁处的径向位移量为 us2= (23) 1.3.2 被挤压强化连接孔应力分析 芯棒挤压衬套内壁时,衬套向外膨胀挤压孔壁,靠近孔壁的区域发生塑性变形,远离孔壁区域则发生弹性变形。被挤压连接孔可简化为如图2所示,其中内径为a、外径为b,a代表连接孔的初孔半径(a=D0/2)、b代表分析区域大小。 图2 被挤压连接孔孔壁受内压示意图Fig.2 Schematic diagram of internal pressure on wall of worked hole edge 假设孔壁处(r=a)受到衬套外壁传递的均匀压力ps(ps>0)、外径处(r=b)的压力为零;并假设弹-塑性变形区虚拟分界线半径rp(a