结合有限元软件对7A04铝合金疲劳性能的研究

张晨 张翰林

摘 要：本文利用有限元技术对7A04铝合金标准式样进行疲劳寿命分析，并与实际疲劳实验结果对比，光滑试样的疲劳极限的结果分别为413MPa和401.43MPa，相差2.80%，结果基本一致。表面阳极氧化和腐蚀会降低试样的疲劳极限，但表面阳极氧化能有效提高试样的抗腐蚀性能。7A04铝合金标准试样的金属间化合物与氧化膜中的孔洞是降低其疲劳极限的主要因素。

关键词：7A04铝合金；疲劳极限；有限元技术

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

1 绪论

7A04铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝合金，具有密度低、强度高、高的比强度和硬度和较高的韧性等优点[1]，广泛应用于航空航天、交通运输等领域。追求不同应用条件下的7A04铝合金的疲劳寿命及疲劳极限是一直研究的主题。

2 7A04铝合金标准试样制备

2.1 光滑试样的制备及有限元处理

试样按照国标GJB 1997-1994《金属材料轴向腐蚀疲劳性能试验方法》的要求进行加工，ANSYS模型单元类型设为Solid185，三维8节点固体结构单元。

2.2 阳极氧化及预腐蚀标准试样的制备及有限元处理

对光滑试样进行表明阳极氧化处理，然后分别对光滑试样，阳极氧化试样进行预腐蚀处理。

通过ANSYS软件建立简化预腐蚀光滑试样的模型，即在标准试样的最小截面上创建有限数量个离表面25μm处的直径30μm大小关于截面中心对称的孔洞。

3 标准试样的疲劳实验

利用GPS100型疲劳试验机采用升降法进行疲劳极限测定，得出光滑试样，阳极氧化试样，预腐蚀光滑试样，预腐蚀阳极氧化试样的疲劳极限分别为401.43MPa、253.57MPa、229.33MPa、236.67MPa。

4 标准疲劳试样疲劳分析

4.1 标准试样静强度分析

将光滑试样的有限元模型在ANSYS里进行静强度分析，将疲劳试样左端面设置全约束，右端面上施加X轴正向12kN力，进行求解计算。应力云图如图1所示。疲劳试样受X轴正向12kN载荷时，等效应力最大值出现在3646节点处，最大等效应力为430.56MPa，X轴方向应力以及第一、第二、第三主应力如表1所示。

通过对危险节点3646分析得到，疲劳试样在X轴正向12kN载荷下节点3646的等效应力、第一主应力、X轴向应力大小基本相同，而在Y轴向与Z轴向应力大小均为20.4626MPa，可忽略不计，因此疲劳试样在X轴正向载荷下危险节点的应力状态可以简化为单轴拉应力状态。

4.2 标准疲劳式样疲劳寿命分析

将静强度分析结果文件导入FE-SAFE软件中，采用应力-寿命曲线Goodman平均应力修正方法进行单轴分析，选用正弦载荷历程对疲劳试样进行疲劳分析。应力比R=0.1，材料弹性模量位67000MPa，泊松比为0.3，抗拉强度为550MPa，材料的S-N曲线选取徐磊测定的7A04铝合金S-N曲线，粗糙度等级设为Ra≤0.25，设计寿命设为次，其他设为默认进行疲劳寿命分析，得到的寿命结果是用对数来表示，得到最小疲劳寿命为5127433次，小于次。

分别又选取X轴正向11.586kN，11.500kN，11.445kN的载荷对疲劳试样进行疲劳寿命分析，最终的疲劳寿命如表2。

由上表可以得出，通过有限元分析得到的标准疲劳试样的疲劳极限大约为413MPa。

对预腐蚀光滑试样的模型一端施加5700N大小的力时标样的疲劳寿命接近次，最大应力出现在孔洞周围，这是由于孔洞周围产生了集中应力。通过计算可以看出孔洞数量越多，最大应力越大，疲劳极限越小。

5 结论

（1）通过ANSYS与FE-SAFE软件计算了7A04铝合金标准试样的疲劳寿命，对比实际实验结果，得到光滑试样的疲劳极限的结果分别为413MPa和401.43MPa，相差2.80%，结果基本一致。

（2）表面阳极氧化和腐蚀会降低试样的疲劳极限，但表面阳极氧化能有效提高试样的抗腐蚀性能。

参考文献：

[1]曲明洋.热变形对7A04铝合金组织和性能的影响[D].中北大學硕士学位论文，2010.

作者简介：张晨（1992-），男，山东高密人，本科，诊断工程师/助理工程师，研究方向：材料科学与基础。