低温辅助激光喷丸强化2024-T351铝合金的振动特性及疲劳性能

发布时间：2020-06-15 06:49

【摘要】：低温辅助激光喷丸强化技术(Cryogenic Assisted Laser Peening,CALP)是一种基于低温与超高应变率的耦合效应的新型表面形变强化技术,可以通过优化微观组织与增加塑性变形,实现优于传统激光冲击强化工艺的组织/应力强化效果。针对航空铝合金易于出现振动疲劳失效,本文选取典型的2024-T351航空铝合金材料为研究对象,采用理论分析、试验研究以及数值模拟相结合的研究方法,揭示低温辅助激光喷丸对铝合金材料典型表面力学性能、振动特性及振动疲劳性能的影响规律,并结合疲劳断口形貌,探索CALP处理铝合金材料的振动疲劳延寿机理。本文的主要研究内容如下:(1)分别采用光学显微镜(OM)、透射电子显微镜(TEM)和残余应力测试仪等试验设备对低温辅助激光喷丸铝合金的微观组织与残余应力进行测试,分析了低温辅助激光喷丸对材料表层微观组织及残余应力的影响规律,结合凝聚态物理学理论阐述了低温辅助激光喷丸的微观组织演变机理及残余应力的强化机制。(2)采用纳米压痕仪对材料的纳米硬度及弹性模量进行了测试和分析,探索了低温辅助激光喷丸强化铝合金的加工硬化机制;以悬臂梁结构为研究对象,使用振动模态测试系统分别获取了不同激光功率密度下CALP与LP处理试样的振动特性(固有频率与阻尼比),得到了激光喷丸功率密度对试样的固有频率与阻尼比的影响规律;此外,建立了铝合金悬臂梁结构的数学模型并开展数值模拟分析,获得了结构的振型和固有频率;基于振动力学理论与K-G-L阻尼理论,分析了低温辅助激光喷丸工艺对固有频率与阻尼比的影响机理。(3)开展了低温辅助激光喷丸强化铝合金的振动疲劳性能测试,获得了试样的振动疲劳寿命以及固有频率随时间的变化规律。采用扫描电子显微镜(SEM)对试样的振动疲劳断口形貌进行观测,结合疲劳与断裂理论分析了典型振动疲劳的断口特征,分别研究了低温辅助激光喷丸强化对疲劳断口裂纹源区、扩展区及瞬断区形貌的影响规律;揭示了低温辅助激光喷丸强化的振动疲劳断裂机制。研究结果表明,低温辅助激光喷丸强化技术在组织强化与应力强化方面优势突出,可以有效改善结构的振动特性与振动疲劳性能。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG668;TG146.21
【图文】：

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江苏大学硕士学位论文第一章绪论言024-T351 作为一种典型的航空铝合金材料，是航空制造业应用最为一，主要应用于飞机的机身蒙皮、机舱结构件、机翼横梁及隔框等结构件的制造。在波音和空客等主流飞机生产制造商生产的飞机中用已经达到飞机总质量的 60%以上[1]，而我国的 C919 大飞机的铝达到了 65%以上，客机上常规的铝合金部件如图 1.1 所示。

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图 1.1 客机上的铝合金部件Fig.1.1 Aluminum alloy components on passenger aircraft由于 2024-T351 铝合金的刚度相对较低，飞机的舵面、平尾以及腹鳍等飞行气流的扰动下易于产生振动，因此这些部位相对比较容易出现疲劳较高的疲劳失效风险。相关研究表明疲劳失效是飞机失效的主要形式之失效形式的 70%以上[2]，疲劳失效降低了结构件的使用寿命，严重影响行安全，很可能引发重大的安全事故，图 1.2 为英国“彗星”号客机及美战斗机因振动疲劳失效而坠毁的现场。因此，对航空结构件进行疲劳寿抗疲劳制造显得十分必要。

【参考文献】