結合有限元軟件對7A04鋁合金疲勞性能的研究

張晨 張翰林

摘 要：本文利用有限元技術對7A04鋁合金標準式樣進行疲勞壽命分析，并與實際疲勞實驗結果對比，光滑試樣的疲勞極限的結果分別為413MPa和401.43MPa，相差2.80%，結果基本一致。表面陽極氧化和腐蝕會降低試樣的疲勞極限，但表面陽極氧化能有效提高試樣的抗腐蝕性能。7A04鋁合金標準試樣的金屬間化合物與氧化膜中的孔洞是降低其疲勞極限的主要因素。

關鍵詞：7A04鋁合金；疲勞極限；有限元技術

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.022

1 緒論

7A04鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系超硬鋁合金，具有密度低、強度高、高的比強度和硬度和較高的韌性等優點[1]，廣泛應用于航空航天、交通運輸等領域。追求不同應用條件下的7A04鋁合金的疲勞壽命及疲勞極限是一直研究的主題。

2 7A04鋁合金標準試樣制備

2.1 光滑試樣的制備及有限元處理

試樣按照國標GJB 1997-1994《金屬材料軸向腐蝕疲勞性能試驗方法》的要求進行加工，ANSYS模型單元類型設為Solid185，三維8節點固體結構單元。

2.2 陽極氧化及預腐蝕標準試樣的制備及有限元處理

對光滑試樣進行表明陽極氧化處理，然后分別對光滑試樣，陽極氧化試樣進行預腐蝕處理。

通過ANSYS軟件建立簡化預腐蝕光滑試樣的模型，即在標準試樣的最小截面上創建有限數量個離表面25μm處的直徑30μm大小關于截面中心對稱的孔洞。

3 標準試樣的疲勞實驗

利用GPS100型疲勞試驗機采用升降法進行疲勞極限測定，得出光滑試樣，陽極氧化試樣，預腐蝕光滑試樣，預腐蝕陽極氧化試樣的疲勞極限分別為401.43MPa、253.57MPa、229.33MPa、236.67MPa。

4 標準疲勞試樣疲勞分析

4.1 標準試樣靜強度分析

將光滑試樣的有限元模型在ANSYS里進行靜強度分析，將疲勞試樣左端面設置全約束，右端面上施加X軸正向12kN力，進行求解計算。應力云圖如圖1所示。疲勞試樣受X軸正向12kN載荷時，等效應力最大值出現在3646節點處，最大等效應力為430.56MPa，X軸方向應力以及第一、第二、第三主應力如表1所示。

通過對危險節點3646分析得到，疲勞試樣在X軸正向12kN載荷下節點3646的等效應力、第一主應力、X軸向應力大小基本相同，而在Y軸向與Z軸向應力大小均為20.4626MPa，可忽略不計，因此疲勞試樣在X軸正向載荷下危險節點的應力狀態可以簡化為單軸拉應力狀態。

4.2 標準疲勞式樣疲勞壽命分析

將靜強度分析結果文件導入FE-SAFE軟件中，采用應力-壽命曲線Goodman平均應力修正方法進行單軸分析，選用正弦載荷歷程對疲勞試樣進行疲勞分析。應力比R=0.1，材料彈性模量位67000MPa，泊松比為0.3，抗拉強度為550MPa，材料的S-N曲線選取徐磊測定的7A04鋁合金S-N曲線，粗糙度等級設為Ra≤0.25，設計壽命設為次，其他設為默認進行疲勞壽命分析，得到的壽命結果是用對數來表示，得到最小疲勞壽命為5127433次，小于次。

分別又選取X軸正向11.586kN，11.500kN，11.445kN的載荷對疲勞試樣進行疲勞壽命分析，最終的疲勞壽命如表2。

由上表可以得出，通過有限元分析得到的標準疲勞試樣的疲勞極限大約為413MPa。

對預腐蝕光滑試樣的模型一端施加5700N大小的力時標樣的疲勞壽命接近次，最大應力出現在孔洞周圍，這是由于孔洞周圍產生了集中應力。通過計算可以看出孔洞數量越多，最大應力越大，疲勞極限越小。

5 結論

（1）通過ANSYS與FE-SAFE軟件計算了7A04鋁合金標準試樣的疲勞壽命，對比實際實驗結果，得到光滑試樣的疲勞極限的結果分別為413MPa和401.43MPa，相差2.80%，結果基本一致。

（2）表面陽極氧化和腐蝕會降低試樣的疲勞極限，但表面陽極氧化能有效提高試樣的抗腐蝕性能。

參考文獻：

[1]曲明洋.熱變形對7A04鋁合金組織和性能的影響[D].中北大學碩士學位論文，2010.

作者簡介：張晨（1992-），男，山東高密人，本科，診斷工程師/助理工程師，研究方向：材料科學與基礎。