1. 引 言
某水下航行體在發(fā)射出筒后，在水中豎直向上運(yùn)動，出水后在空中自由飛行，到達(dá)最高點(diǎn)后下落，然后在水中下沉，到達(dá)最低點(diǎn)后再上浮，最后漂浮在水面上。航行體回落入水后，可能發(fā)生與發(fā)射裝置碰撞的危險。出于安全性的考慮，航行體在水下發(fā)射后必須進(jìn)行減速控制，并使其速度保持在一定范圍，從而間接地保證回落入水的最大深度小于發(fā)射裝置最高點(diǎn)的深度。舵板是實(shí)現(xiàn)此功能的重要部件，當(dāng)水下航行體以一定速度進(jìn)入水中時，舵板迅速張開至一定角度，增加航行體在水中的阻力，對航行體進(jìn)行減速控制。在減速過程中，舵板在水流的沖擊下迅速張開，在到位的瞬間突然制動，舵板承受了巨大的水動力沖擊載荷，舵板本體和耳座處均產(chǎn)生很大的沖擊應(yīng)力及應(yīng)變( 見圖 1) 。卸載后，彈性變形恢復(fù)，塑性變形及部分應(yīng)力殘余在結(jié)構(gòu)中。出于經(jīng)濟(jì)性和安全性的考慮，需要評估舵板及其系統(tǒng)主要零部件在多次過載后的剩余沖擊壽命。在應(yīng)變分析和低周疲勞的基礎(chǔ)上，現(xiàn)采用一種新的疲勞壽命估算方法———局部應(yīng)力應(yīng)變法，此法思路是: 零構(gòu)件的疲勞破壞都是從應(yīng)變集中部位的最大應(yīng)變處起始，并且在裂紋萌生以前都要產(chǎn)生一定的塑性變形，局部塑性變形是疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的先決條件。因此，決定零構(gòu)件疲勞強(qiáng)度和壽命的是應(yīng)變集中處的最大局部應(yīng)力和應(yīng)變。其基本假設(shè)是: 若同種材料制成構(gòu)件的危險部位最大應(yīng)力應(yīng)變歷程與一個光滑試件的應(yīng)力應(yīng)變歷程相同，則它們的疲勞壽命就相同。
因此，本文針對有應(yīng)力集中部件的疲勞壽命，通過對其光滑試件進(jìn)行沖擊疲勞試驗(yàn)，確定沖擊次數(shù)，對結(jié)構(gòu)的使用壽命進(jìn)行預(yù)測。
2 試件制備與試驗(yàn)方法
2. 1 試件制備
2. 1. 1 取樣位置確定
本文選取受到 3 次入水沖擊后的舵板作為試驗(yàn)對象，其材料為 18Cr2Ni4WA，試件取樣位置如圖 2所示。
2. 1. 2 試件制備
按照 GB /T229－2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》對圖 2 所示的試件號 6、7、8、9，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)夏比 V 型缺口試驗(yàn)。對試件號 1、2、3、4、5、10、11、12、17、18 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)無缺口加工，試件加工尺寸參看圖 3 和圖 4。缺口加工方法采用定型砂輪磨制或銑床加工，缺口部位應(yīng)避免劃傷。應(yīng)變片貼于試件中部，所有試件制備情況見圖 5。
2. 2 試驗(yàn)方法
2. 2. 1 試驗(yàn)設(shè)備
及原理采用的試驗(yàn)設(shè)備為美國 MTS 公司 ZBC2000 系列( 最大沖擊能 300J) 擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)( 見圖 6) ，其控制系統(tǒng)采用 PLC 控制方法。該設(shè)備由旋轉(zhuǎn)編碼器來獲取擺錘的實(shí)時位置，具有抗干擾能力極強(qiáng)，可靠、穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等特點(diǎn)。采用單向應(yīng)變計(jì)，型號為 BX120－10AA，測試系統(tǒng)的量程為 20000με，超過該范圍的數(shù)值不作為評價依據(jù)，僅供參考。應(yīng)變測試采用 DASP －V10 動態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)。試驗(yàn)方法為: 將試件放置在砧座上，通過設(shè)定擺錘的沖擊能對試件進(jìn)行不同能量的沖擊試驗(yàn)，觀察試件的斷裂及變形情況( 見圖 7) 。本次試驗(yàn)對于含缺口試件進(jìn)行一次沖擊，對于光滑試件進(jìn)行多次沖擊，觀察沖擊后的試件宏觀形變與微觀應(yīng)變特征。
2. 2. 2 沖擊能量確定
擺錘大能量沖擊理論是根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變法的基本假設(shè)，即若同種材料制成的構(gòu)件的危險部位的最大應(yīng)力－應(yīng)變歷程與一個光滑試件的應(yīng)力應(yīng)變歷程相同，則它們的疲勞壽命就相同。因此，在按照國標(biāo)進(jìn)行擺錘沖擊試驗(yàn)時，沖擊能量的確定是依據(jù)實(shí)際工況中舵板上危險部位的應(yīng)變水平。根據(jù)前期仿真結(jié)果，選取模型中舵板厚度變化處、等效應(yīng)力相對較大的某個單元，測得其應(yīng)力峰值可達(dá)到 0. 85GPa 左右。根據(jù)該單元的應(yīng)力、應(yīng)變分量，計(jì)算其應(yīng)變能為:
按照該應(yīng)變能密度計(jì)算，舵板的總應(yīng)變能最多應(yīng)為 10. 55kJ，大于直接測得的真實(shí)總內(nèi)能( 應(yīng)變能) ，峰值為 7. 082kJ，即:
這說明，使用應(yīng)變能密度 458. 7 kJ/m3作為從大尺度舵板到小尺度擺錘沖擊試驗(yàn)件進(jìn)行尺度和沖擊能量縮放依據(jù)，具有一定的可比性。
根據(jù)國標(biāo)，光滑無缺口的沖擊試件的體積為:
使得光滑無缺口的沖擊試件達(dá)到 0. 85GPa 的等效應(yīng)力水平時需要吸收的應(yīng)變能為：
通過對舵板應(yīng)變較大危險點(diǎn)的應(yīng)變進(jìn)行實(shí)測，直接得到了 0°、90°和 45°方向的應(yīng)變。當(dāng)測量時間t = 19. 58s 時，3 方向的最大應(yīng)變分別為:
首先對光滑試件預(yù)試驗(yàn)沖擊，得到當(dāng)用 6J 能量對光滑試件進(jìn)行沖擊時，應(yīng)變片粘貼處的實(shí)測應(yīng)變?yōu)?8753. 966με，大于公式中危險點(diǎn)的 7995. 56με，表明 6J 沖擊能量剛好接近實(shí)測工況下的舵板受載情況。為研究不同能量沖擊對舵板的影響，沖擊試驗(yàn)時分別選取了 6J、8J、10J、15J 和 20J 等 5 種能量進(jìn)行多次沖擊。
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