一种基于飞机结构选材的金属材料性能评价方法技术

本发明专利技术提供了一种基于飞机结构选材的金属材料性能评价方法，其特征在于采用以下步骤：步骤1：定义Zp为材料的平面应变断裂韧性，其物理意义为裂纹尖端应力达到σb的塑性区范围，反映材料破坏的时刻能够吸纳多大范围的材料以塑性流动的方式产生的阻抗，量纲单位为mm，其表达式。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术(普通专利技术)提供一种基于飞机结构选材的金属材料性能评价方法，属飞机结构强度设计

技术介绍
金属材料仍是航空主结构的基石，材料是结构之本。而拉伸破坏是航空结构破坏的主要形式。在研究破坏机理基础上，科学地提供符合破坏过程的断裂准则，作为选材和结构分析的基础是十分迫切的。现有的破坏准则主要有σb准则、KIC准则。静强度拉伸破坏准则——σb准则表述为公式(1)： σ ≤ [ σ ] = σ b k ]]>(k为安全系数) (1)静强度拉伸破坏准则已有超过半个世纪的应用历史，它既有大量试验数据的支持，又有庞大、可靠的计算机分析系统对应力的精确分析。人们对它的依赖和信任已深信不疑。随着人们认识的深入和科学技术的发展，σb准则在工程应用实践中的局限性和缺陷逐步被认识和证实，主要表现为：1)σb是一个与断裂无直接关系的量拉伸断裂过程有三个阶段，线弹性、均匀塑性变形和颈缩断裂。采用应力σ的概念，只有在线弹性阶段是合理的，而在塑性变形阶段，它只能反映其中的线弹性部分，无法反映对断裂起更大作用的塑性性能。而且σb只是均匀塑性变形最大值对应的应力值，与接着的颈缩断裂无关。2)σb是一个具有苛刻条件的量σb对多个因素敏感性很强的材料常数，这些因素包括：合金成份及热处理制度(CH)，载荷类型及加载速度(F)，温度及环境(T)，厚度、切槽、各类损伤(G)，这些因素可以表述为公式(2)的函数的形式：σb＝f(CH,F,T,G) (2)①合金成分的变化当然会引起σb的极大变化，即使成分不变，热处理制度可以使材料高脆性、高强度(如淬火)也可以变为高韧度、低强度(如高温回火)；②冲击载荷、三向受力都会使材料σb大幅度提高；③低温下，材料σb也会大幅度提高，多数材料韧度降低；④切槽根部呈现三维受力，该处的σb显著提高。在结构中遭遇到的各类损伤，则远不是σb可控制的；在工程结构服役过程中，这些因素不可避免地会限制σb准则的应用范围。1)安全系数k(在航空结构常取k≥1.5)对一些脆性材料而言，由于对损伤的敏感性，更大的安全系数都难以保证安全，而对一些韧性强的材料，k＝1.5又过于保守，造成结构效率低下。2)采用σb准则设计不能保证航空结构的安全由于σb准则并不能反映断裂的本质，σb对多因素敏感却忽视韧性的巨大作用，特别是对服役期内各种损伤无所作为。在历史上采用该准则已导致不少灾难性事件。对于飞机结构保持一定量的强度是十分必要的，它应当是材料拉伸破坏准则的一个重要组成部分。从外载荷传递到内部应力σ，是属于刚体或弹性体的传递，是准确的。由于结构中绝大部分应力都处于线弹性阶段，它们的表达都是正确的。但单独地把它作为静强度准则使用，则是不够的。线弹性破坏准则——KIC准则表述为公式(3)：KI≤KIC (3)断裂力学从更深层次上认识材料与结构损伤及破坏机理，它突破了单纯依靠应力σ的传统作法，采用了K因子度量裂纹尖端的场强度概念，融入了损伤量的影响。发展的KI≤KIC和为结构耐久性、损伤容限奠定了基础，对推动航空结构从规范、适航条例，到设计、分析、选材、工 艺、试验、管理、维修都发生了历史性重大变革。KIC的积极作用主要表现为：1)KIC虽然不能直接用于剩余强度分析，但却是结构元件综合破坏强度准则的重要组成部分；2)KIC是抗拉伸破坏最优性能选择的最重要指标。当材料合金成份基本固定，或微调合金成份，或改变热处理制度，微调σb值(降低或提高)，使KIC＝(KICi)max，获得该组材料的最佳性能。3)一般地说，材料具有高KIC值，也意味着具有高的断裂韧性KC值和较低的裂纹扩展速率值。当然，线弹性断裂破坏准则也是有局限性的，表现为：①线弹性断裂力学K因子是在裂尖场1/2奇异性这一理论状态为基础的，它仅与理想裂纹、脆性破坏状态相吻合，几乎所有工程材料都不严格满足这一条件。②K因子不能分辨不同三维度下应力场的区别(平面应力和平面应变K因子是一样的)，更无法反映进入塑性状态时各自的复杂变化规律。③KI≤KIC破坏准则，表面上看来是一个以KIC试验为基础的材料破坏准则，和σb准则类似，也并不能完全适用于分析航空结构。不能用KI因子分析剩余强度。在剩余强度分析中，仍须采用实验的方法拟合一条剩余强度曲线供分析用。采用静强度破坏准则和线弹性破坏准则进行选材和金属材料性能评价时，针对金属材料多个独立性能参数的情况，难以直观判断材料优劣。文献《航空材料机械性能的综合评价与分析》中将每一种航空材料看作一个独立的系统，材料的机械性能作为其评价指标，构成评价指标体系，将结构设计选材过程看作一决策过程，应用目的规划法给出若干种材料按其机械性能的一种排序结果，根据排序结果对每种材料对特定设计要求适用度的高低进行综合评判。在对材料评判过程中，材料性能指标的选取及其权重分配十分重要，需要应用统计方法或模糊综合评判方法来分配权重。能够综合的因素比较全面，得出的结果比较合理，但该方法与传统的破坏准则表达形式没有相似性，权重选择高度依赖对统计数据的积累和综合评判经验，计算过程比较复杂，也不够直观。
技术实现思路
(一)专利技术目的：本专利技术提供一种基于飞机结构选材的铝合金材料性能评价的全新、直观、便捷的方法。(二)技术方案：为了解决以上不足，本专利技术采取以下技术方案：一种基于飞机结构选材的金属材料性能评价方法，其特征在于采用以下步骤：步骤1：定义Zp为材料的平面应变断裂韧性，其物理意义为裂纹尖端应力达到σb的塑性区范围，反映材料破坏的时刻能够吸纳多大范围的材料以塑性流动的方式产生的阻抗，量纲单位为mm，其表达式： Z p = 1 π ( K IC σ b ) 2 - - - ( 4 ) ]]>步骤2：对候选的待评价材料，根据材料的σb和KIC数据，依次计算出各种相近材料的Zp值，并进行排序，淘汰极小Zp值的材料；步骤3：根据材料的Zp、σb和KIC数据，建立评价结构元件拉伸破坏准则方程(5)，确定符合要求的材料： σ ≤ σ C = η Q ( A n A g ) e 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于飞机结构选材的金属材料性能评价方法，其特征在于采用以下步骤：步骤1：定义Zp为材料的平面应变断裂韧性，其物理意义为裂纹尖端应力达到σb的塑性区范围，反映材料破坏的时刻能够吸纳多大范围的材料以塑性流动的方式产生的阻抗，量纲单位为mm，其表达式：Zp=1Π(KICσb)2---(4)]]>步骤2：对候选的待评价材料，根据材料的σb和KIC数据，依次计算出各种相近材料的Zp值，并进行排序，淘汰极小Zp值的材料；步骤3：根据材料的Zp、σb和KIC数据，建立评价结构元件拉伸破坏准则方程(5)，确定符合要求的材料：σ≤σC=ηQ(AnAg)eσb---(5)]]>式中的参数分别由式(4)及(6)‑(8)给出：ηQ=e-0.35γ0.3+(2S)8γ-S---(6)]]>γ=aeffZp---(7)]]>S=12(1-e-0.35γ0.3)---(8)]]>上述公式中符号定义如下：σC—完整及损伤元件破坏强度，量纲单位为MPa；—有效静面积及毛面积之比；σb—材料拉伸均匀塑性变形最大值对应的强度值，量纲单位为MPa；aeff‑当量裂纹长度，量纲单位为mm；KIC—平面应变断裂强韧度，量纲单位为Zp—平面应变断裂韧度，量纲单位为mm；S—损伤端部变奇异性参数，S＝0～1/2；γ—无因次损伤。...

【技术特征摘要】
1.一种基于飞机结构选材的金属材料性能评价方法，其特征在于采用以下步骤：步骤1：定义Zp为材料的平面应变断裂韧性，其物理意义为裂纹尖端应力达到σb的塑性区范围，反映材料破坏的时刻能够吸纳多大范围的材料以塑性流动的方式产生的阻抗，量纲单位为mm，其表达式： Z p = 1 Π ( K IC σ b ) 2 - - - ( 4 ) ]]>步骤2：对候选的待评价材料，根据材料的σb和KIC数据，依次计算出各种相近材料的Zp值，并进行排序，淘汰极小Zp值的材料；步骤3：根据材料的Zp、σb和KIC数据，建立评价结构元件拉伸破坏准则方程(5)，确定符合要求的材料： σ ≤ σ C = η Q ( A n A g ) e σ b - - - ( 5 ) ]]>式中的参数分别由式(4)及(6)-(8)给出：...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡昭，张维银，付祥炯，杜娟，毛森鑫，邹康庄，刘庆华，李彦超，韩学礼，胡世刚，
申请(专利权)人：陕西飞机工业集团有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61