自冲铆接疲劳裂纹产生机理的研究

自冲铆接的微裂纹会在铆接孔中产生,这主要是由于材料内部组织的不均匀性及铆接模具的结构、形状造成的。疲劳裂纹还会在非铆接孔中产生,因为材料内部微观组织、相的强度、塑性和韧性等物理力学性能不一致,在受到载荷后微观组织变形不协调,这就导致在材料内部某些点的应力超过此点的微观允许内应力,故出现微裂纹。微裂纹还可能由材料内部的缩孔、缩松、夹杂和小的孔洞等引起的。微裂纹的扩展往往由于撕裂弯矩和拉伸载荷的共同作用造成,裂纹扩展越来越快。自冲铆接的寿命主要由裂纹萌生和小裂纹的扩展组成。     

铝合金自冲铆接工艺及力学性能研究

针对铝合金的自冲铆连接(SPR)技术为研究对象,分析了铝合金的自冲铆接工艺方法对接头质量和性能的影响,研究了自冲铆接工艺参数对接头几何特征、力学性能的影响,并进行了接头疲劳性能的CAE分析。研究发现,采用位移控制方式的SPR铆接工艺,可以获得更大的互锁值及更高的接头力学性能,而且接头的几何特征和力学性能更为稳定,SPR接头的失效形式表现出了以拉脱失效为主,其力学性能随着头高的增加而不断减小,剩余厚度对力学性能影响并不显著。当SPR接头中含有结构胶的条件下,其力学性能得到显著提升,且失效形式有转化为接头拉延失效的趋势。同时研究了自冲铆连接的疲劳强度和失效形式,研究发现位移控制和能量控制的SPR铆接疲劳性能没有显著差异,而且裂纹均在刺穿的上层铝板孔洞周围起裂,随后垂直于载荷方向扩展。最后,使用SPIDER单元分析方法对疲劳性能进行了模拟分析,得出的SPR接头S-N仿真曲线与实际S-N曲线参数基本一致,整体误差小于5%,表明SPIDER单元分析方法具有较高的有效性。     

钢桥面板纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹扩展三维模拟方法

为了深刻认识正交异性钢桥面板的疲劳特性,准确评估其疲劳抗力,对纵肋与顶板焊接细节进行了三维疲劳裂纹扩展模拟。提出了一种主要针对椭圆或半椭圆形疲劳裂纹的扩展模拟方法,采用相互作用积分法计算裂纹尖端处的应力强度因子K,作为三维裂纹模拟的基本参量。以青山长江公路大桥正交异性钢桥面板疲劳试验节段模型为研究对象,将纵肋与顶板焊接细节处的疲劳裂纹近似为单个半椭圆形裂纹,对其扩展过程进行三维模拟,通过试验结果验证了所提方法的有效性。在此基础上将初始裂纹分别设置于焊根和顶板焊趾,探讨了顶板厚度和U肋形式对于纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹扩展特性的影响问题。研究结果表明：所提出的方法能够准确模拟纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹的扩展过程,适用于其疲劳问题研究;增加顶板厚度能够有效改善纵肋与顶板焊接细节处的疲劳性能;相对于传统纵肋与顶板焊接细节而言,顶板与镦边U肋焊根和焊趾处的疲劳裂纹扩展特性和疲劳抗力没有显著差别,顶板与镦边U肋焊缝构造细节难以显著改善焊根和顶板焊趾处的疲劳性能;萌生于焊根并向顶板扩展的疲劳失效模式是控制传统纵肋与顶板焊接细节和顶板与镦边U肋焊缝构造细节疲劳性能的主导疲劳失效模式。     

铝合金自冲铆工艺分析

重点介绍了铝合金工艺设计规范、铝合金自冲铆试验方法及质量判定标准,以厚度1.0 mm和1.5 mm的5系铝合金板材铆接试验为例,为板材组合达到合格的自冲铆接效果提供了相应的铆接参数,包括合适的铆钉、铆模和铆接速度等,并依据视觉及剪切、脱落静力学试验结果和自冲铆接点的失效模式分析作为质量判定标准,为后续的工艺实施和实际生产提供技术上的有益参考。     

周期预拉伸对三相钢疲劳门槛值及疲劳裂纹扩展速率的影响

探讨了周期预拉伸对Ｍ＋Ａ＋Ｆ三相钢的疲劳门槛值及裂纹扩展速率的影响。经试验和研究发现三相钢周期预拉伸后门槛值所下降；三相钢低周疲劳后，第二阶段裂纹扩展速率有所降低，表现出较高的裂纹扩展阻力。     

铝合金高强钢自冲铆接工艺仿真研究

针对传统的以试验方法确定自冲铆接工艺参数成本高以及效率低等问题,开发了自冲铆接工艺过程有限元仿真模型,探索通过仿真方法进行自冲铆接工艺参数优化的可行性。分析了模具形貌以及板材屈服强度波动等因素对铝钢异种金属自冲铆接接头内下层板应力分布的影响规律。仿真、试验结果表明,采用平底模具铆接铝合金AA6005-T5和高强钢DP590时,增加模具宽度或减小模具深度有利于降低接头中铆钉尖端下层板的应力集中,从而避免接头中产生裂纹。板材屈服强度的波动不仅会影响接头中下层板的最大应力,还会改变应力集中位置,上层板屈服强度的负波动或下层板屈服强度的正波动更容易使接头中产生裂纹。     

冲焊桥壳疲劳寿命影响因素分析

为了解决冲焊桥壳失效的问题,对不同种类冲焊桥壳疲劳试验产生的各种断裂形式进行了分析,找出其失效原因,并有针对性地改进设计和工艺,避免了冲焊桥壳出现裂纹或延缓裂纹产生,提高了桥壳的疲劳寿命。     

自冲铆接工艺参数权重分析

针对自冲铆接工艺试验的特点,构建了铆接工艺方案的评价指标体系。应用层次分析法建立了影响铆接质量评价指标的权重矩阵,计算出相应权重值和综合重要度。通过对铆接试件的初步静拉力试验和疲劳试验,验证了计算权重值的正确性,为自冲铆接工艺试验方案的比选建立了理论基础。     

铝合金自冲铆接工艺优化

本文针对厚板铝合金自冲铆接接头失效的问题,分析了工艺参数的4个方面:铆接速度、铆钉长度、铆模直径和铆模凸台高度对铆接接头质量的影响,并对失效的铆接接头工艺参数进行了优化,为车身铝合金连接工艺优化提供参考和依据。     

正交异性钢桥面板足尺疲劳试验

以某大跨径斜拉桥采用的正交异性钢桥面板为工程背景,进行钢桥面板疲劳性能试验研究,足尺疲劳试验循环次数累积达到1 020万次.试验结果表明:加劲肋与盖板连接部位出现了纵向疲劳裂纹;加劲肋与横隔板连接的焊缝端部出现了在焊趾处萌生并沿加劲肋腹板扩展的疲劳裂纹;受焊接残余应力影响,处于疲劳荷载压应力区的腹板与横隔板连接焊缝端部也萌生了疲劳裂纹;横隔板挖孔部位无疲劳裂纹;若以测点应力发生变化为疲劳失效判据,则加劲肋与横隔板连接端部的疲劳细节高于AASHTO中D类和Eurocode的63类细节等级,加劲肋与盖板连接的疲劳细节高于AASHTO中D类和Eurocode的71类细节等级;若以出现疲劳裂纹为疲劳失效判据,则其疲劳细节高于AASHTO规范中D类和Eurocode的80类细节等级.     

客车底盘焊接接头疲劳裂纹扩展速率研究

研究ＥＱ１１７０ＫＡ城市客车底盘焊接接头疲劳裂纹扩展速率的规律结果表明：焊接接头各部位疲劳裂纹扩展速率ｄａ／ｄＮ与应力强度因子（ΔＫ）之间符合Ｐａｒｉｓｅ公式；焊接接头不同部位的疲劳裂纹扩展速率各不相同，主要受组织和焊接残余应力的影响；并且母材的裂纹扩展速率最快，热影响区次之，焊缝裂纹扩展速率最慢。疲劳裂纹扩展速率主要受组织和焊接残余应力的影响。     

14MnNbq焊接件全范围疲劳裂纹扩展性能研究

由试验获得桥梁用钢14MnNbq焊接件的疲劳裂纹扩展da/dN、ΔK数据点及其疲劳门槛值ΔKth,断裂韧性Kc近似采用相同厚度母材试样得到的结果。采用四参数Forman公式利用多元线性回归法拟合试验数据,给出了14MnNbq焊接件的全范围疲劳裂纹扩展的表达式。在应力比R=0.05,0.25,0.50条件下Forman公式拟合曲线与试验数据吻合较好;相对于母材而言,在疲劳开裂和稳定扩展初期焊接件疲劳裂纹扩展速率较高。     

钢桥面板横隔板多裂纹扩展三维数值模拟及其特性研究

针对正交异性钢桥面中横隔板弧形开孔处存在的多裂纹这一特殊情况,采用通用有限元软件ANSYS建立了含多裂纹的有限元数值模型。基于所建立的数值模型,通过计算精度较高的相互作用积分法得到裂纹尖端应力强度因子K,并将其作为基本参量对多裂纹的扩展特性进行分析研究。研究结果表明:正交异性钢桥面板中初始存在多条裂纹时,随着荷载循环作用次数的增加,裂纹扩展将发展成以其中一条裂纹作为主裂纹进行扩展,剩余裂纹则在扩展至一定长度后停止扩展;横隔板弧形开孔边缘产生的角裂纹后期将扩展成穿透型裂纹,该处疲劳裂纹扩展到后期为穿透型疲劳裂纹。     

钢桥面板纵肋顶板焊缝疲劳裂纹扩展的关键影响因素

正交异性钢桥面板疲劳问题突出，纵肋与顶板焊缝处是其关键疲劳易损部位，研究该部位疲劳裂纹的扩展过程并确定关键影响因素及其效应，有助于深刻理解其疲劳损伤机理。建立正交异性钢桥面板疲劳试验节段模型的有限元分析模型，将纵肋与顶板焊缝焊根处的疲劳裂纹近似为半椭圆形裂纹，基于断裂力学实现其扩展全过程的三维数值模拟。在此基础上研究初始裂纹的纵向位置和初始裂纹形状对疲劳裂纹扩展过程的影响，阐明扩展过程中的疲劳裂纹的形状变化，以及疲劳裂纹关键部位应力强度因子幅值的变化规律。研究表明：对于典型的正交异性钢桥面板纵肋与顶板焊缝，在纵向一段范围内，初始裂纹的纵向位置对裂纹扩展的影响不大；初始裂纹形状对裂纹扩展的影响主要体现在裂纹扩展的初始阶段，经过一段时间的扩展之后，不同形状的初始裂纹将演变为相对稳定的形状；持续一段时间后，裂纹将逐渐变得较为扁长；疲劳裂纹在深度方向上扩展超过约顶板厚度一半时，最深点的扩展速率将会减慢；深度相同的裂纹，形状越扁长时越倾向于向深度方向扩展，越不扁长时越倾向于向长度方向扩展。     

钢铝异种材料自冲铆接模拟及工艺研究

以某乘用车钢铝混合发动机罩为研究对象,建立钢铝板材试样自冲铆接模型,模拟其铆接过程,研究不同铆模深度、铆钉长度及板材搭接顺序对铆接接头几何形状和力学性能的影响,并对优化后的铆接组合进行自冲铆接工艺试验,从而优选出最佳的钢铝铆接参数。结果表明,针对厚度1.8 mm的DP590高强钢和厚度1.2 mm的6016-T6铝合金自冲铆接,采用铆钉长度5 mm、钉腿直径5.3 mm、铆模直径9 mm、铆模深度1.5 mm、“钢上铝下”的铆接方式所获得的铆接接头几何形状和力学性能俱佳,且无裂纹、穿透、铆钉屈服等铆接缺陷,可用于实际钢铝混合发动机罩的自冲铆接中。     

钢桥贯通疲劳裂纹扩展行为预测方法研究

为研究面外弯曲作用下的贯通疲劳裂纹扩展行为,以某公铁两用钢桥的工字形横梁腹板为对象,运用公路加载的方式,对横梁腹板竖向加劲肋焊端的应力进行荷载试验,利用有限元程序ABAQUS建立横梁腹板模型,将疲劳裂纹引入模型,利用位移外推法计算裂纹前端应力强度因子,结合最大能量释放率法对疲劳裂纹的扩展行为进行预测。结果表明:腹板的面外弯曲是该部位出现疲劳开裂的主要原因;贯穿疲劳裂纹是Ⅰ型为主的混合型疲劳断裂;等效应力强度因子随着裂纹的增长先增加后减小,裂纹的扩展角度随着裂纹的增长有所增加,预测角度与实际观测到的裂纹扩展角度近似一致。因此,利用位移外推法和最大能量释放率法可有效预测钢桥疲劳裂纹扩展行为。     

钢铝混合后地板总成的自冲铆连接性能研究

通过子午线剖面组织分析和拉伸-剪切试验分析,对钢铝混合后地板总成的自冲铆连接性能和失效模式进行了研究。结果表明,板材的搭接组合方式对自冲铆接头的子午线剖面组织特征、拉伸剪切性能以及失效模式产生明显影响。当底层材料为AlSi10Mg高压铸铝,接头的残余底厚(t_(min))以及底层互锁长度(a)较大;当底层材料为HC340/590DP高强度钢,接头的t_(min)和a值较小。接头的失效模式可分为3类,铆钉与上板分离、铆钉腿与下板分离以及上层板材断裂。所有接头的子午线剖面特征值以及拉伸-剪切性能均满足企业标准,因此,自冲铆接可实现钢铝混合后地板总成的焊装。     

超大跨径斜拉桥钢桥面板疲劳损伤监测与断裂力学研究

为研究超大跨径斜拉桥钢桥面板的疲劳损伤问题,本文以某斜拉桥为工程背景,对实桥进行了现场疲劳损伤监测与分析,并基于断裂力学的三维裂纹扩展模型,对钢箱梁顶板-U肋和横隔板-U肋等焊接细节进行了数值仿真与研究。结果表明：实桥顶板-U肋焊缝细节高应力幅(大于10MPa)循环次数与疲劳损伤度明显低于横隔板-U肋细节,横隔板-U肋焊缝最大应力幅达到75~90MPa,顶板-U肋焊缝最大应力幅为15~30MPa,横隔板-U肋焊缝细节处裂纹数量远大于顶板-U肋焊缝细节处裂纹数量;顶板-U肋焊缝裂纹在扩展过程中基本保持平面,裂纹扩展有先沿焊缝方向纵向扩展,再向深度方向扩展的趋势;横隔板-U肋焊缝焊趾处裂纹先沿初始裂纹深度方向在横隔板扩展,再向横隔板厚度方向扩展,焊趾处裂纹先向U肋厚度方向扩展,后沿初始裂纹长度方向顺桥向扩展;在初始裂纹尺寸与荷载条件相同的情况下,顶板-U肋焊缝焊趾处裂纹扩展速度大于焊根处裂纹扩展速度,横隔板-U肋焊缝焊趾处裂纹扩展速率大于横隔板焊趾处裂纹扩展速率。     

钢桥面板纵肋双面焊构造疲劳裂纹扩展特性研究

正交异性钢桥面板纵肋构造细节疲劳危害严重，修复困难，传统单面焊构造疲劳抗力不足是导致该部位疲劳开裂频发的主要原因。采用双面焊构造可望显著提高该构造细节的疲劳抗力，而初始焊接缺陷是该类构造细节疲劳抗力的关键影响因素。以双面焊构造为研究对象，基于线弹性断裂力学理论，建立多裂纹扩展模拟方法，通过多裂纹扩展试验验证该方法的可行性；在此基础上，对焊根处存在单一和多个初始缺陷条件下构造细节疲劳裂纹扩展特性进行研究。结果表明：外侧焊根单裂纹、内侧焊根单裂纹与焊根多裂纹扩展模式均为Ⅰ型开裂主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹扩展模式；多裂纹扩展特性并不显著，多裂纹在扩展初期由于临近裂纹等效应力强度因子幅值的迅速降低而转变为单一裂纹，此后其扩展规律与外侧焊根单裂纹扩展规律基本一致；3种裂纹在扩展初期裂纹形状比变化规律存在差异，但随着扩展深度的增加，等效应力强度因子幅值下降段变化规律基本一致，裂纹扩展达到一定深度后均呈扁平状且随扩展深度增加扁平状趋势更加显著；外侧焊根处的单一缺陷是控制钢桥面板纵肋双面焊构造疲劳抗力的主要缺陷，制造时应采取有效措施避免这类缺陷。     

自冲铆接技术在汽车车身轻量化中的应用

阐述了自冲铆接技术的概念、类型、工艺原理以及自冲铆接技术在汽车车身制造中的应用。对自冲铆接技术与电阻点焊技术连接质量的比较表明，凡是难于进行焊接的连接件均可采用自冲铆接技术，且自冲铆接件的疲劳强度高于焊接件。介绍了半空心铆钉的自冲铆接工艺在车身制造中的应用情况及其铆接质量的评价方法。