孔徑變化對中心孔鋁板材疲勞性能的影響研究

孫曉紅 賈雅靜 張天闊 馬立勇 吳宏宇

摘? ?要：文章以高鐵用2224鋁合金板材為研究對象，通過ANSYS仿真疲勞試驗，得到不同中心孔直徑下的鋁合金的疲勞性能。根據數據分析，中心孔直徑越大，應力集中對疲勞壽命的影響越明顯，相應鋁板的疲勞壽命也越短。

關鍵詞：中心孔;2224鋁合金;直徑;應力集中;疲勞性能

中心孔鋁板材在受拉過程中，中心孔口區域應力集中，使得鋁板材整體壽命降低。另外，中心孔的直徑不同，對鋁合金板材整體的疲勞壽命影響程度也不相同[1-3]。

在鋁合金疲勞壽命方面，國外對2224鋁合金的研究較早，1981年，Pickens[4]研究發現在T3510熱處理狀態下，2224鋁合金在抗拉強度方面比沒有經過熱處理的鋁合金高;在2224鋁合金疲勞性能方面，1996年，Starke等[5]比較了7XXX系列、2X24系列的高強度鋁合金疲勞性能，研究了2224鋁合金延伸率、密度;2001年，John[6]研究了2224鋁合金型材抗拉強度，發現其縱向抗拉強度大于490 MPa，延伸率大約16%。

國內方面，1992年國家科學技術委員會將2224鋁合金T3510狀態下擠壓型材的研制納入“八五”攻關計劃[7];趙剛等[8]研究了2224鋁合金T3510拉伸變形對擠壓型材性能的影響。研究發現，在淬火后，預拉伸可以消除殘余應力并提高材料的屈服強度;徐晨玲等[9]研究了2224鋁合金的加工工藝及其抗拉強度，伸長率，屈服強度等性能;鄭麗靜等[10]制備亞微米2224鋁合金，制備工藝采用徑角壓（Equal Channel Angular Pressing，ECAP）的金屬加工方法（等通道擠出法），結合熱處理，測量了亞微米狀態的2224鋁合金的伸長率和拉伸強度;2014年，孫曉紅等[11]研究了2224鋁合金的高周疲勞性能，并分析了其宏觀和微觀斷裂特征，提供了2×24鋁合金力學疲勞性能研究的科學依據。

本文以高鐵用中心孔鋁合金為研究對象，對其不同中心孔徑下的疲勞壽命進行數值仿真研究，并給出以孔徑作為自變量的疲勞壽命擬合數學模型。

1? ? 數值實驗及分析

利用有限元分析軟件，建立了6種不同中心孔徑鋁板的有限元模型。使用標記代碼1—6將模型導入ANSYS的工作臺，并在材料的兩端施加70 MPa的拉伸載荷。載荷應力比為 R=0.1。求解后，得到了不同中心孔徑的鋁板模型的疲勞壽命和最大靜應力。具體數據如表1所示。

將D/W擬合為多項式函數會產生各種D/W中心孔直徑材料的疲勞壽命N0。使用擬合模型分析和計算疲勞壽命N并將其與N0進行比較，可以測試擬合曲線的精度，如表2所示。

從表1中的數據可以看出，中心孔的直徑越大，應力集中對疲勞壽命的影響越明顯。相應鋁板模型的相應疲勞壽命較小，擬合曲線如圖1所示。設x=D/W，y=lgN ，y與x呈4次多項式函數關系其關系表達式為：

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

表2數據表明，模型5的擬合值與數據分析值相差較大，但其他模型的誤差很小，證明式（1）可以擬合，結果正確。

2? ? 結語

本文采用高鐵中心孔鋁合金研究了中心孔直徑對2224鋁合金疲勞壽命的影響。結果表明，中心孔直徑越大，應力集中對疲勞壽命的影響越明顯，鋁板的疲勞壽命越短。中心孔直徑與材料的疲勞壽命的關系式為：y=26.63x4-40.32x3+15.87x2-3.42x+5.9。

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[10]鄭立靜，鄧江寧，張焱，等.采用ECAP制備亞微晶鋁合金及其力學性能[J].東北大學學報（自然科學版），2002（7）：694-696.

[11]孫曉紅.2224鋁合金板材的疲勞性能研究[D].長沙：中南大學，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