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摘 要：金属构件在装配和维修的过程中难免会受到工具的刮擦，这类划痕对构件造成的不可恢复的破坏会对构件的疲劳寿命产生影响。通过有限元软件建立刮擦板件二维的有限元刮擦模型，综合考虑到高应变梯度、温度等复杂因素进行有限元动力学分析，然后根据连续损伤力学知识，对刮擦表面单元的损伤度进行定性和定量的分析。最后，考虑不同刮擦速度、深度和摩擦系数等因素对构件损伤的影响。
关键词：刮擦；板件；损伤；影响因素
中图分类号：TQ325.14 文献标识码：A 文章编号：2095-2627（2017）10-0017-04
Research on the damage caused by sharp scratching to plate
Chen Pengxiang1 Meng Qingchun2
（1.Beihang University， Large Aircraft class， Beijing 10000，China；2.Beihang University， Center for Engineering damage Mechanics， Beijing 100000， China）
Abstract： It is unavoidable to be scraped by the tool， when assembling and repairing metal components. Those scrapes can result in unrecoverable destruction and reduce the fatigue life of the components. Considering the high strain gradient， temperature factors，the paper built the 2D finite elastic-plastic module to make dynamic analysis using finite element software. Then， based on the continuous damage theory， made qualitative and quantitative analysis of the surface elements of the scrape. Finally， the effect of the velocity， depth and friction factor to the damage of the scrape were considered.
Key words： scrape； plate； damage； influence factor
引言
構件的疲劳寿命除了与材料、 结构形式和载荷谱直接相关外，还有一类意外因素需要考虑，即构件在制造和装配过程中受到意外刮擦，在构件表面出现尖锐刮痕缺陷，产生初始损伤，从而降低构件的疲劳寿命。如果将所有含初始缺陷的构件定为不合格产品，将大大增加生产成本，造成不必要的浪费. 因为一些含缺陷的结构件仍然能够承受循环载荷，甚至满足疲劳寿命的要求. 因此，研究刮擦对板件造成的损伤是非常必要的。
近年来，钛合金由于其较高的比强度、比刚度和耐腐蚀等优良的性能，在大飞机方面的应用也很大部分的提高。例如，在C919大飞机上，钛合金用量达9.3%，由于钛合金的密度比钢小得多，而强度又和钢很接近，因此，它可以大大减轻飞机及其发动机的重量因此钛合金被广泛应用于飞机挂架，发动机等结构。
尖锐刮擦对板件造成的划痕主要包括以下几个方面特点：1）划痕底部半径非常小，造成局部的高度应力集中（应力集中系数一般大于5，甚至能达到10以上）；2）划痕局部会存在残余应力，通过与疲劳载荷的共同作用对疲劳寿命产生影响；3）划痕的形成过程会造成局部材料的损伤。因此，建立一种能够综合考虑这些影响因素，定量分析尖锐划痕对构件造成的损伤非常必要。
此外，由于刮擦过程中存在刮擦速度、刮擦深度和摩擦系数等刮擦条件的差异，这些差异都可能对刮擦表面的应力应变以及损伤产生影响，但这些影响尚没有一些统一的结论。因此，这些刮擦条件对刮擦结果的影响的研究有很重要的意义。
建立刮擦模型主要需要确定两部分内容，分别是本构方程和分离准则。本构方程反应的是刮擦过程中材料的应力应变的关系，分离准则是确定刮擦过程中挂掉部分和板件分离时需要满足的关系。
4 建立有限元模型
模型总体有两部分，分别是刀具和基体，其中刀具为刚体，高度为140e-6m，宽度为100e-6m，刀具前刀面与水平面的夹角为65度，刀具示意图如下：
基体为变形体，整体长度为830e-6m，宽度为400e-6m，由于只有部件的右上部分发生刮擦，所以对右上部分的网格进行加密，划分网格后创建网格部件，由于刮擦部分的面积相对于整个表面的面积很小，所以可以将该问题看作平面应变问题。
基体为Ti6Al4v，通过查阅资料[9]得到相关的材料参数为：
固定基体的左端和下端，并对刀具施加一个向左的初速度载荷，施加约束和载荷后的示意图如下：
5 结果分析
本文首先计算了在摩擦系数为0.2，刮擦速度为0.5m/s时，刮擦表面的应力应变以及损伤情况。
从上图中可以看出在经过刮擦之后，刮擦表面的应力应变的值相差较大，这是由于耦合了温度以及应变率等因素的刮擦问题本身的复杂性所决定的，从刮擦表面中随机选取32个单元，它们在刮擦过程中产生的损伤如下图所示：
从图中可以得到在摩擦系数为0.3，刮擦速度为0.5m/s，刮擦深度为0.1mm时，刮擦表面单元的损伤度大多在0.06左右。 在上面的研究的基础上，研究ti6al4v材料刮擦表面的损伤度受深度、速度、摩擦系数的影响。
（1）摩擦系数为0.2，刮擦速度为0.5m/s时，损伤度随切削深度的变化。
其中，实线，虚线，虚画线，点划线分别代表刮擦深度为0.035mm，0.055mm，0.065mm和0.1mm时，刮擦表面的损伤度变化情况，对其取平均值得到在四种刮擦深度下刮擦表面的损伤度为0.055，0.058，0.055，0.058，该图像表明在一定的刮擦深度范围内，刮擦表面的大多数单元的损伤度在0.05-0.07之间，且随深度的变化不大。
（2）摩擦系数为0.1，刮擦深度为0.035mm，损伤度随刮擦速度的变化。
其中，实线，虚线，虚画线，点划线分别代表刮擦速度为0.25m/s，0.75m/s，1m/s和2m/s时刮擦表面单元的损伤度变化情况，对其取平均值得到在四种刮擦速度下刮擦表面的损伤度为0.037，0.051，0.065，0.083，可以看出，随着刮擦速度的增大，刮擦表面的损伤度不断的增大。
（3）刮擦深度为0.035mm刮擦速度为0.5m/s时，损伤度的值随摩擦系数的变化；
其中，实线，虚线，虚画线，点划线分别代表摩擦系数为0，0.1，0.2，0.3时，刮擦表面的损伤度变化情况，对其取平均值得到在四种摩擦系数下刮擦表面的损伤度为0.027，0.040，0.047，0.088，可以看出刮擦表面的损伤度随着摩擦系数的增加而增大。
6 结论
6.1 通过将损伤引入到刮擦模型中，得到了在低速下刮擦对平板造成的损伤度大致范围在0.02-0.1之间。材料的疲劳破坏在最终阶段是非常快的，一般认为损伤度d达到0.8以后的时间就可以忽略不计了，因此该损伤是不可忽略的。
6.2 分析了速度对材料损伤度的影响，得到了在其它情况相同时，板件在受到刮擦后，表面损伤度随速度的增加而变大。
6.3 分析了摩擦系数对材料损伤度的影响，得到了在其它情况相同时，板件在受到刮擦后，表面损伤度随摩擦系数的增加而变大。
6.4 分析了刮擦深度对材料损伤度的影响，得到了在其它情况相同时，板件在受到刮擦后，表面损伤度随刮擦深度的影响变化不大。
参考文献
[1] Anhai Li，Jiming Pang，Jun Zhao，Jian Zang，Fuzeng Wang. FEM-simulation of machining induced surface plastic deformation and microstructural texture evolution of Ti-6Al-4V alloy.[J]. International Journal of Mechanical Sciences 123（2017）214–223
[2] J. Sun& Y. B. Guo. Material flow stress and failure in multiscale machining titanium alloy Ti-6Al-4V.[J]. Int J Adv Manuf Technol（2009）41：651–659
[3] 鄭旭东，张行.预估金属构件疲劳全寿命的损伤力学-有限元法[J].航空学报》1992.1212（2）：1-9
[4] 张行.断裂与损伤力学[M].北京航空航天大学出版社，2009.
[5] 鹿晓阳，“连续损伤力学的基本理论方法及工程应用”[J]，山东建筑工程学院学报，第9卷，第2期，1994
[6] Zhan Zhixina ， Hu Weiping， Zhang Miao ， Meng Qingchun. The fatigue life prediction for structure with surface scratch considering.
[7] 吴学仁.飞机结构金属材料力学性能手册[M]，北京： 航空工业出版社，1996
[8] 沈飞，“金属构件微动疲劳问题的连续损伤力学方法研究”[D].北京，北京航空航天大学，2015
[9] F. Ducobu， E. Rivière-Lorphèvre， E. Filippi. On the importance of the choice of the parameters of the Johnson-Cook constitutive model and their in?uence on the results of a Ti6Al4V orthogonal cutting model.[J]. International Journal of Mechanical Sciences 122（2017）143–155
关键词：刮擦；板件；损伤；影响因素
中图分类号：TQ325.14 文献标识码：A 文章编号：2095-2627（2017）10-0017-04
Research on the damage caused by sharp scratching to plate
Chen Pengxiang1 Meng Qingchun2
（1.Beihang University， Large Aircraft class， Beijing 10000，China；2.Beihang University， Center for Engineering damage Mechanics， Beijing 100000， China）
Abstract： It is unavoidable to be scraped by the tool， when assembling and repairing metal components. Those scrapes can result in unrecoverable destruction and reduce the fatigue life of the components. Considering the high strain gradient， temperature factors，the paper built the 2D finite elastic-plastic module to make dynamic analysis using finite element software. Then， based on the continuous damage theory， made qualitative and quantitative analysis of the surface elements of the scrape. Finally， the effect of the velocity， depth and friction factor to the damage of the scrape were considered.
Key words： scrape； plate； damage； influence factor
引言
構件的疲劳寿命除了与材料、 结构形式和载荷谱直接相关外，还有一类意外因素需要考虑，即构件在制造和装配过程中受到意外刮擦，在构件表面出现尖锐刮痕缺陷，产生初始损伤，从而降低构件的疲劳寿命。如果将所有含初始缺陷的构件定为不合格产品，将大大增加生产成本，造成不必要的浪费. 因为一些含缺陷的结构件仍然能够承受循环载荷，甚至满足疲劳寿命的要求. 因此，研究刮擦对板件造成的损伤是非常必要的。
近年来，钛合金由于其较高的比强度、比刚度和耐腐蚀等优良的性能，在大飞机方面的应用也很大部分的提高。例如，在C919大飞机上，钛合金用量达9.3%，由于钛合金的密度比钢小得多，而强度又和钢很接近，因此，它可以大大减轻飞机及其发动机的重量因此钛合金被广泛应用于飞机挂架，发动机等结构。
尖锐刮擦对板件造成的划痕主要包括以下几个方面特点：1）划痕底部半径非常小，造成局部的高度应力集中（应力集中系数一般大于5，甚至能达到10以上）；2）划痕局部会存在残余应力，通过与疲劳载荷的共同作用对疲劳寿命产生影响；3）划痕的形成过程会造成局部材料的损伤。因此，建立一种能够综合考虑这些影响因素，定量分析尖锐划痕对构件造成的损伤非常必要。
此外，由于刮擦过程中存在刮擦速度、刮擦深度和摩擦系数等刮擦条件的差异，这些差异都可能对刮擦表面的应力应变以及损伤产生影响，但这些影响尚没有一些统一的结论。因此，这些刮擦条件对刮擦结果的影响的研究有很重要的意义。
建立刮擦模型主要需要确定两部分内容，分别是本构方程和分离准则。本构方程反应的是刮擦过程中材料的应力应变的关系，分离准则是确定刮擦过程中挂掉部分和板件分离时需要满足的关系。
4 建立有限元模型
模型总体有两部分，分别是刀具和基体，其中刀具为刚体，高度为140e-6m，宽度为100e-6m，刀具前刀面与水平面的夹角为65度，刀具示意图如下：
基体为变形体，整体长度为830e-6m，宽度为400e-6m，由于只有部件的右上部分发生刮擦，所以对右上部分的网格进行加密，划分网格后创建网格部件，由于刮擦部分的面积相对于整个表面的面积很小，所以可以将该问题看作平面应变问题。
基体为Ti6Al4v，通过查阅资料[9]得到相关的材料参数为：
固定基体的左端和下端，并对刀具施加一个向左的初速度载荷，施加约束和载荷后的示意图如下：
5 结果分析
本文首先计算了在摩擦系数为0.2，刮擦速度为0.5m/s时，刮擦表面的应力应变以及损伤情况。
从上图中可以看出在经过刮擦之后，刮擦表面的应力应变的值相差较大，这是由于耦合了温度以及应变率等因素的刮擦问题本身的复杂性所决定的，从刮擦表面中随机选取32个单元，它们在刮擦过程中产生的损伤如下图所示：
从图中可以得到在摩擦系数为0.3，刮擦速度为0.5m/s，刮擦深度为0.1mm时，刮擦表面单元的损伤度大多在0.06左右。 在上面的研究的基础上，研究ti6al4v材料刮擦表面的损伤度受深度、速度、摩擦系数的影响。
（1）摩擦系数为0.2，刮擦速度为0.5m/s时，损伤度随切削深度的变化。
其中，实线，虚线，虚画线，点划线分别代表刮擦深度为0.035mm，0.055mm，0.065mm和0.1mm时，刮擦表面的损伤度变化情况，对其取平均值得到在四种刮擦深度下刮擦表面的损伤度为0.055，0.058，0.055，0.058，该图像表明在一定的刮擦深度范围内，刮擦表面的大多数单元的损伤度在0.05-0.07之间，且随深度的变化不大。
（2）摩擦系数为0.1，刮擦深度为0.035mm，损伤度随刮擦速度的变化。
其中，实线，虚线，虚画线，点划线分别代表刮擦速度为0.25m/s，0.75m/s，1m/s和2m/s时刮擦表面单元的损伤度变化情况，对其取平均值得到在四种刮擦速度下刮擦表面的损伤度为0.037，0.051，0.065，0.083，可以看出，随着刮擦速度的增大，刮擦表面的损伤度不断的增大。
（3）刮擦深度为0.035mm刮擦速度为0.5m/s时，损伤度的值随摩擦系数的变化；
其中，实线，虚线，虚画线，点划线分别代表摩擦系数为0，0.1，0.2，0.3时，刮擦表面的损伤度变化情况，对其取平均值得到在四种摩擦系数下刮擦表面的损伤度为0.027，0.040，0.047，0.088，可以看出刮擦表面的损伤度随着摩擦系数的增加而增大。
6 结论
6.1 通过将损伤引入到刮擦模型中，得到了在低速下刮擦对平板造成的损伤度大致范围在0.02-0.1之间。材料的疲劳破坏在最终阶段是非常快的，一般认为损伤度d达到0.8以后的时间就可以忽略不计了，因此该损伤是不可忽略的。
6.2 分析了速度对材料损伤度的影响，得到了在其它情况相同时，板件在受到刮擦后，表面损伤度随速度的增加而变大。
6.3 分析了摩擦系数对材料损伤度的影响，得到了在其它情况相同时，板件在受到刮擦后，表面损伤度随摩擦系数的增加而变大。
6.4 分析了刮擦深度对材料损伤度的影响，得到了在其它情况相同时，板件在受到刮擦后，表面损伤度随刮擦深度的影响变化不大。
参考文献
[1] Anhai Li，Jiming Pang，Jun Zhao，Jian Zang，Fuzeng Wang. FEM-simulation of machining induced surface plastic deformation and microstructural texture evolution of Ti-6Al-4V alloy.[J]. International Journal of Mechanical Sciences 123（2017）214–223
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[4] 张行.断裂与损伤力学[M].北京航空航天大学出版社，2009.
[5] 鹿晓阳，“连续损伤力学的基本理论方法及工程应用”[J]，山东建筑工程学院学报，第9卷，第2期，1994
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[8] 沈飞，“金属构件微动疲劳问题的连续损伤力学方法研究”[D].北京，北京航空航天大学，2015
[9] F. Ducobu， E. Rivière-Lorphèvre， E. Filippi. On the importance of the choice of the parameters of the Johnson-Cook constitutive model and their in?uence on the results of a Ti6Al4V orthogonal cutting model.[J]. International Journal of Mechanical Sciences 122（2017）143–155