2A12铝合金微动疲劳塑性应变分析

摘要： 塑性变形是微动疲劳中的组成部分，建立2A12铝合金圆柱/平面微动疲劳有限元模型，考虑塑性作用进行有限元分析，对接触区进行塑性应变分析。结果表明：塑性棘轮应变占主导，接触后缘的节点产生较大的塑性应变，棘轮行为非常严重，而接触前缘的节点则只产生弹性安定；随着塑性应变的增加，剪应力最大值和最小值趋于稳定；相比与接触前缘，接触后缘的滑动幅度较大；轴向应力塑性应变和剪应力塑性应变最大值都在粘滑区边界。

Abstract： The localized plastic deformation was a component of fretting fatigue. The cylindrical/plane fretting fatigue FEA model was established， and the FEA analysis was performed considering localized plastic. At last， the plastic strain was researched of the contact zone. The results indicated that the ratcheting plastic strain was dominant， and the local plastic strain occurred mainly on the trailing edge nodes of contact zone， also the ratcheting behavior was very serious. Otherwise， the leading edge nodes of contact zone only exhibited elastic shakedown. The maximum and minimum value of shear strain tended to stability with plastic strain increasing. The slip amount near the trailing edge was more than that in leading edge. The maximum value of plastic strain of axial stress and shear stress was on the boundary of stick-slip zone.

关键词： 2A12铝合金；有限元；塑性应变

Key words： 2A12 aluminum alloy；FEM；plastic strain

中图分类号：V215 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）03-0087-03

0 引言

根据损伤机制不同，微动疲劳失效过程分为四个阶段，不考虑损伤机制影响主要就是裂纹成核和裂纹扩展这两个阶段。在实际应用和实验中，由于微动导致的微裂纹常常在两接触构件中间，具有隐蔽性，很难被发现，这样很难区分裂纹成核和裂纹扩展这两个阶段，因此用数值模拟分析微动疲劳非常可取。有限元分析（FEA）的优点之一是它能提供一些通过试验和解析法不能获得的信息，根据施加的载荷状态，通过有限元分析能得到接触区的局部参数，从而根据局部参数和局部应力得到预测参数。

试验分析发现尽管微动疲劳接触机制总体上是弹性的，但也会有局部塑性区。由于裂纹成核过程与接触面局部塑性变形有关，初始裂纹扩展与接触应力和远场应力有关，因此在裂纹成核和早期裂纹扩展阶段接触应力作用非常重要。人们对微动接触有限元分析很多，但大多只考虑应力应变的弹性变化，考虑塑性影响分析的很少，且大多只见于国外的一些文献资料[1-6]，本文建立圆柱/平面接触微动疲劳有限元模型，考虑塑性影响进行有限元分析，分析了接触区塑性应变。

1 应力应变响应及塑性

在很多情况下，当构件在交替载荷反复作用下会导致材料的非线性响应。有很多因素影响接触面塑性变形的程度，如表面粗糙度、磨屑、表面氧化物、接触应力、循环应力、摩擦系数等。

2 有限元模型

在本研究中，所建微动疲劳接触有限元模型如图3所示，并对微动疲劳接触模拟模型进行改进[9]，采用四节点（双线性）平面应力四边形非协调单元（CPS4I）。试件和微动垫接触定义为主-从接触，微动垫下端底面为接触主面，试件上表面为接触从面。载荷分三步施加，第一步首先施加接触载荷P，使微动垫与试件之间建立接触关系，第二步分别在试件右端和试件左端施加最大轴向应力？滓和响应应力？滓r，与试验中施加最大循环载荷状态一致，第三步分别在试件右端和试件左端施加最小轴向应力？滓和响应应力？滓r，与试验中施加最小循环载荷状态一致。响应应力可以通过下式计算： Q=（5） ？滓r=？滓-Q/As（6）

式中，F为施加于试件下端的轴向力，Fr为试件上端的响应轴向力，通过测力传感器测得。Q为切向力，As为分析模型试件横截面积。在改进的有限元模型中，由于施加的轴向应力和响应应力值的差使试件产生微动。

3 塑性应变分析

研究表明[10]，材料塑性变形量不受塑性模型选取的影响，但是与其它塑性模型相比应用动态应变硬化模型，塑性应变区中的棘轮面积明显降低。此外，循环塑性应变对循环载荷和应变硬化不敏感，而棘轮效应则对循环载荷和应变硬化的非常敏感。Kindervater等[11]通过对铝合金的微动疲劳研究表明这些特性对应变速率并不敏感，因此他们用各向同性硬化弹塑性模型来模拟微动疲劳。本文用双线性弹塑性本构方程来体现2A12铝合金微动疲劳接触弹塑性响应进行分析，该方程用Von Mises屈服曲面定义各向同性硬化。

在塑性有限元分析中，为了研究接触区的塑性变形，取接触区前缘和后缘的几个节点来分析，用于分析的节点如图4所示，其中节点2314和节点732位于接触的后缘，节点649位于接触的前缘，图5和图6给出了各个节点随循环载荷增加有效塑性应变变化曲线，从图可以看出相比于循环塑性应变塑性棘轮应变占主导，且随着循环载荷的增加，接触后缘的节点产生较大的塑性应变，位于接触区后缘的节点2314棘轮行为非常严重，而接触前缘的节点649则只产生弹性安定，且随着轴向载荷的增大，塑性变形越来越严重。

为了深刻理解循环载荷作用下的棘轮效应，图7和图8给出了P=450N，r=180mm，f=0.5，s=331MPa载荷作用下接触后缘节点2314和节点732剪应力剪应变变化曲线。可以看出，随着塑性应变的增加，剪应力最大值和最小值趋于稳定。

图9给出了P=450N，r=180mm，f=0.5，不同轴向载荷作用下接触区的相对滑动幅度，从图可以看出相比与接触前缘，接触后缘的滑动幅度较大。

图10和图11分别给出了P=450N、r=180mm、f=0.5、s=331MPa时的轴向应力塑性应变？着和剪应力塑性应变？着沿接触面的变化，从图可以看出轴向应力塑性应变？着和剪应力塑性应变？着最大值都在粘滑区边界。

4 结论及建议

①相比于循环塑性应变塑性棘轮应变占主导，且随着循环载荷的增加，接触后缘的节点产生较大的塑性应变，棘轮行为非常严重。而接触前缘的节点则只产生弹性安定，且随着轴向载荷的增大，塑性变形越来越严重。

②随着塑性应变的增加，剪应力最大值和最小值趋于稳定。相比与接触前缘，接触后缘的滑动幅度较大。

③轴向应力塑性应变和剪应力塑性应变最大值都在粘滑区边界。

④对于微动接触的构件，计算微动疲劳寿命时应考虑塑性影响，但塑性对裂纹成核位置影响不大，计算裂纹成核位置时可以不考虑塑性影响。

参考文献：

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