基于网格不敏感结构应力的铝合金焊接接头疲劳性能分析

基于网格不敏感结构应力方法,对3A21、5A06、6061等铝合金焊接接头疲劳性能及影响因素进行研究.结果表明：网格不敏感结构应力方法较传统的名义应力方法,能更好地表征不同接头形式、材料、应力比及厚度等因素对焊接接头的疲劳影响.在应力比相同的情况下,接头板厚越小,疲劳性能越好;相同板厚条件下,应力比越小,疲劳性能越好;5A06铝合金焊接接头的疲劳性能普遍高于3A21铝合金焊接接头,但板厚相差较大时,疲劳性能主要取决于厚度因素的影响;同种材料在板厚及应力比相同的情况下,对接接头疲劳性能最好,十字接头次之,T型接头疲劳性能最差.     

多边形孔奇异性应力干涉问题的研究

采用一种新型杂交元方法研究了多边形孔相互干涉条件下的奇异性应力场问题.首先运用多变量变分原理构造一种超级切口尖端单元,其中,假定的应力场和位移场变量是利用奇异性场数值特征解推导出来的.尔后将该超级切口尖端单元与传统4节点杂交应力元耦合在一起,即可建立起一种分析含任意多边形孔弹性结构分析的新型有限元模型.最后用该模型考察...     

基于断裂力学的钢桥面肋-板接头疲劳寿命预测

为研究反复荷载作用下正交异性钢桥面中U型肋与桥面板焊接接头的疲劳性能,基于断裂力学基本理论,利用有限元方法,进行了肋-板接头的疲劳寿命评估.根据正交异性钢桥面与U型肋连接构造基本形式,利用有限元软件ANSYS建立了包含3个U型肋的正交异性钢桥面平面有限元模型;考虑肋-板连接位置处焊接细节的4种典型裂纹,计算了2个加载工况下各裂纹处等效应力强度因子,并分析了初始裂纹长度、桥面板厚度、U型肋高度和U型肋厚度对等效应力强度因子的影响规律;依据Eurocode 3规范中正交异性钢桥面肋-板接头加载模式,采用桥面板与U型肋连接构造二维有限元模型,计算得到典型裂纹的等效应力强度因子,建立了基于断裂力学疲劳扩展模型为基础的正交异性钢桥面肋-板接头的疲劳寿命预测方法.研究结果表明:基于线弹性断裂力学原理计算得到的疲劳寿命均大于Eurocode 3规范计算值,桥面板厚度选用16~18 mm及将初始裂纹长度控制在0.1 mm以下可有效地提高板-肋接头疲劳寿命.     

6061-T6铝合金构件焊接残余应力分布

针对国产TIG焊接成型的6061-T6铝合金箱形构件的残余应力分布,采用ABAQUS有限元软件,研究其残余应力的分布规律.选用温度-位移耦合C3D8T单元,建立残余应力分析的有限元模型,获得6061-T6铝合金TIG焊接成型的箱形构件的残余应力值,经盲孔法实测验证有限元方法的可靠性.有限元模拟结果表明,TIG焊接成型的6061-T6铝合金方形构件的残余应力总体呈U型分布,应力峰值位于构件角部,谷值位于板件中部;残余应力影响范围及峰值与板厚有关.     

车轮次表面裂纹力学特性分析

为了研究车轮次表面裂纹的力学特性,利用ANSYS软件建立了轮轨接触的有限元模型,分析了车轮纯滚动时裂纹尖端应力随车轮运动时的变化规律,研究了轮轨蠕滑系数对裂纹尖端应力的影响.结果表明:当裂纹位于轮轨接触区域上方时,裂纹尖端的von Mises应力和切应力变化十分剧烈,其值分别是无裂纹时的3.2倍和21.7倍;在轮轨初始接触时,最大von Mises应力不是发生在裂纹尖端,而是出现在裂纹尖端的后方位置处;裂纹尖端von Mises应力和切应力峰值随着轮轨蠕滑系数的增大而逐渐增大.研究结果显示车轮次表面裂纹对应力影响很大,因而在车轮制造及检测中要密切关注裂纹状态,以防发生事故.     

Ⅰ型裂纹稳定扩展裂尖塑性区研究

运用FRANC2D/L软件分别对6.35 mm和2 mm两种厚度Arcan试件的Ⅰ型裂纹稳定扩展进行数值计算,研究了该软件的网格划分技术对计算结果的影响,发现该软件的计算精度主要受裂纹区的网格密度影响（当裂纹面单元与裂纹每步扩展单元尺寸一致时,计算精度好）.通过分析有效应力,研究了材料、裂纹扩展长度及试件厚度对裂纹尖端塑性区尺寸的影响.研究结果表明,材料的屈服应力越大,其裂尖塑性区尺寸越小;塑性区尺寸随裂纹扩展长度的增加,先增大后趋于不变;塑性区的形状与板厚或边界有关,6.35 mm厚的母材及3种焊接板材塑性区成扩散型,2 mm厚的母材成Dugdale模型,25.4 mm以上厚度母材成平面应变模型;裂纹启裂时,塑性区随着厚度的增加而减小,最终不变.     

钢箱梁角焊缝表面裂纹应力特征及影响因素分析

结合钢箱梁局部模型试件,针对角焊缝表面裂纹进行数值模拟,进行了裂纹尖端与裂纹前缘应力分布分析,并基于最大切向应力准则计算了裂纹面参考点的应力强度因子,最后结合疲劳裂纹实际扩展变化,考虑了不同裂纹形状对应力和应力强度因子的影响。分析结果表明:裂纹尖端存在严重的应力集中,裂纹区应力下降明显,裂纹前缘的应力水平与未出现裂纹时相同位置截面上表面应力水平相当;裂纹面受拉压应力,Ⅱ型和Ⅲ型应力强度因子基本为0,Ⅰ型应力强度因子总体上随着参考点角度的增大而逐渐减小;裂纹尖端应力与裂纹短长轴比基本呈线性增大关系,在短长轴比0.6以后增速减缓,随着短长轴比的增大,裂纹深度方向前缘处应力强度因子变化幅度较裂纹尖端处更大,与长裂纹区相比,短裂纹区这种差异性较明显。     

X射线衍射法测试高速列车车体铝合金残余应力

为了准确、无损、快速地检测高速列车铝合金的表面残余应力,采用等强杆拉伸试验方法,用X射线衍射法对测试结果进行标定,并用X射线衍射法、盲孔法以及有限元法对测得的车体铝合金焊接接头残余应力进行了对比.结果表明:等强杆拉伸试验标定过程中,在10～70 MPa范围内,随着拉伸载荷的增加,X射线法测得的应力与载荷应力具有一致性,可采用X射线衍射法对车体关键部位应力状态进行测试分析,X射线衍射法残余应力的数值略大于理论计算值和电测法计算值;车顶铝合金焊接接头最大残余应力可达146.3 MPa;X射线衍射法与等强杆标定方法、盲孔法、有限元计算模拟方法的残余应力结果保持了较好的一致性.     

基于单元应力外推法的中心裂纹板应力强度因子精度研究

利用ABAQUS有限元软件建立有限宽中心裂纹板的裂纹扩展有限元模型,选取裂纹前端不同数目单元,采用三种基于单元应力外推法的最小二乘法拟合应力场和位移场数据对(ri,KIi),得到中心裂纹板裂纹尖端处I型裂纹应力强度因子。通过与理论解对比,结果表明:每种方法都对应一个最佳单元选取数目,方法二对应的最佳单元选取数目最小,方法三对应的最佳单元选取数目居中,方法一对应的最佳单元选取数目最大;裂纹前端单元选取数目小于最佳数目时数值解小于理论解,裂纹前端单元选取数目大于最佳数目时数值解大于理论解;应力强度因子的求解精度与单元选取数目和拟合方法有关。三种方法的比较分析,对采用基于单元应力外推法求解应力强度因子时单元数目和拟合方法的选取具有指导意义。     

7A52铝合金焊接及其接头表面纳米化研究现状

7A52铝合金作为一种典型的Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金,因具有优良的力学性能和较高的比强度而被广泛应用于飞机、火箭、舰船和轻型装甲车辆等的结构件上。该合金在实际应用过程中常以焊接件的形式存在。但由于铝合金熔点低、热传导系数较大、热膨胀率高,所以采用常规熔化焊工艺焊接时,容易出现焊缝裂纹、气孔、焊接接头软化等缺陷;而且,焊接接头的不均匀性是其在服役中失效的主要原因。因此,如何提高焊接接头的强度,实现焊接接头组织性能的均一化是高强铝合金焊接需解决的关键问题之一。采用表面纳米化技术有望解决这一问题,提高焊接接头的综合性能。为此,本文综述了国内外近几年来的研究成果,在对7A52铝合金进行概述的基础上,着重对比介绍了该合金双丝MIG焊、电子束焊、搅拌摩擦焊、激光焊、等离子焊以及各种复合焊接的研究进展;同时,详细介绍了金属及其焊接接头表面纳米化的国内外研究现状,着重介绍了利用高能喷丸和超声冲击处理实现表面纳米化并提高焊接疲劳强度的研究现状和发展趋势。指出提高接头强度系数是将来铝合金焊接的重点研究方向,而超声冲击处理技术是实现焊接接头表面纳米化的重要手段之一。     

斜拉桥钢桥面板顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群数字疲劳试验

为研究多场耦合作用下斜拉桥钢桥面板疲劳裂纹的扩展机理，建立了跨尺度斜拉桥全桥数字疲劳试验模型；通过模拟顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处多道焊缝的焊接全过程，将焊接残余应力引入数字疲劳试验模型中；基于扩展有限元法，在多场耦合作用下对顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处典型疲劳裂纹进行扩展机理的数字断裂参数分析与扩展行为的数字疲劳试验。研究结果表明:在顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处存在较大的残余拉应力，其最大值接近钢材的屈服强度，焊接残余应力对钢桥面板疲劳性能的影响不可忽略；后续焊缝会影响已有焊缝区域的应力场分布，在分析计算多道焊缝影响区域的焊接残余应力场时，需模拟多道焊缝的焊接全过程；在恒载应力场、活载应力场和焊接残余应力场的多场耦合作用下，按复合型裂纹扩展的工程准则，顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处4种典型疲劳裂纹的最大等效应力强度因子幅均大于疲劳裂纹扩展阈值，均将在疲劳循环荷载作用下发生疲劳扩展；在多场耦合作用下，过焊孔上方顶板-U肋连接焊缝的顶板侧焊趾处疲劳裂纹和U肋侧焊趾处疲劳裂纹均为以Ⅰ型裂纹为主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹，Ⅱ型和Ⅲ型裂纹的影响不容忽略；过焊孔上方顶板-U肋连接焊缝的顶板侧焊根处疲劳裂纹和横隔板过焊孔边缘处疲劳裂纹均为Ⅰ型裂纹；建立的多场耦合作用下多尺度数字疲劳试验可为运营阶段大跨度桥梁钢桥面板疲劳裂纹的扩展提供分析与模拟方法。      

钢桥面板纵肋与横隔板焊接细节疲劳开裂的加固研究

为研究钢桥面板疲劳开裂部位栓接角钢的加固方法，采用足尺模型试验对纵肋与横隔板焊接细节疲劳裂纹的加固效果进行研究，采用ANSYS建立了含有疲劳裂纹的有限元模型，并基于断裂力学理论对比研究疲劳裂纹不同长度条件下的加固效果. 研究结果表明:纵肋与横隔板焊接细节的疲劳裂纹起裂于焊趾并沿纵肋腹板扩展，采用栓接角钢加固后可以使开裂部位关键测点的主拉应力和裂尖各测点的应变分别降低56%和80%，能够有效抑制疲劳裂纹的扩展；栓接角钢加固后裂尖的应力强度因子幅值最少降低80%，裂纹扩展速率显著降低；对贯穿纵肋腹板前不同长度的疲劳裂纹进行加固，裂尖应力强度因子幅值均降低60%～90%，但随着疲劳裂纹长度的增加，栓接角钢的加固方法对裂纹扩展的抑制效果不断降低，加固时机的合理选取是影响加固效果的关键因素之一.      

基于相互积分的应力强度因子数值分析

应力强度因子可反映裂纹尖端弹性应力场的强弱,是解决结构疲劳断裂问题的重要参数。工程上常采用有限元分析软件对各种复杂裂纹体进行数值模拟进而求解断裂问题。有限元分析软件ANSYS提供后处理功能可直接计算各种断裂参数。借助ANASYS计算平台,分别采用传统的位移插值法和基于相互积分的数值方法可求得张开型二维及三维裂纹应力强度因子。将数值分析结果与二维裂纹的解析解和三维裂纹扩展实验的测量结果进行对比分析后发现,基于相互积分理论求得的应力强度因子更为精确,这种优势在三维裂纹数值分析中更为显著。     

钢桥面板与纵肋焊缝疲劳评估及裂纹扩展研究

为研究正交异性钢桥面板纵肋与顶板连接焊缝的裂纹扩展特性并建立相应的疲劳寿命评估方法,考虑裂纹扩展模拟方法以及材料特性等因素对于裂纹扩展过程与疲劳寿命预测的影响,以某长江公路大桥重载交通钢桥面板为研究对象,进行了疲劳模型试验和理论研究. 综合运用疲劳试验与断裂力学数值模拟研究起始于焊根位置裂纹的疲劳寿命评估问题,探明了疲劳裂纹的扩展特性. 研究结果表明:基于常幅疲劳加载的寿命预测结果与试验实测值间的相对误差小于10%,且预测结果偏于安全;裂纹扩展路径及裂纹面空间形态等扩展特性与疲劳试验相吻合;裂纹扩展模拟方法、扩展角计算准则、材料特性和初始裂纹深度是疲劳寿命预测的关键影响因素;起始于焊根的疲劳裂纹属于Ⅰ型主导的复合型裂纹,疲劳寿命评估应考虑Ⅱ型与Ⅲ型裂纹的影响;裂纹面呈现出典型的空间曲面特征,其深度与长度之比介于0.20～0.63之间,最大扩展角为12.7°;疲劳寿命评估结果对于初始裂纹深度取值较为敏感,应结合工程实际确定合理取值.      

EQ1170KA客车底盘焊接接头疲劳裂纹扩展速率的研究

本文研究了EQ1170KA客车底盘焊接接头疲劳裂纹扩展速率的规律,结果表明:焊接接头不同部位的疲劳裂纹扩展速率各不相同,焊接残余应力和金相组织对疲劳裂纹扩展速率都有一定的影响。     

初始损伤对焊接节点疲劳性能的影响

为研究焊接节点的初始损伤对疲劳寿命和损伤演化的影响规律,从损伤力学角度引入了基于裂纹尺寸的损伤变量,介绍了两种常用的疲劳损伤演化模型:Chaboche模型和Lemaitre模型,并分别基于两种演化方程探讨了初始损伤对疲劳寿命和损伤变量的影响,提出了基于初始损伤疲劳寿命折减系数的概念. 以非承载角焊缝焊接节点为例得到了焊接节点在不同初始损伤情况下的疲劳寿命折减系数和疲劳损伤曲线.结果表明:当初始损伤分别小于0.055和0.002时,在Chaboche模型和Lemaitre模型中可以忽略其对疲劳寿命的影响,Lemaitre模型比Chaboche模型对初始损伤的影响更为敏感,推荐采用Chaboche模型来描述焊接节点的疲劳损伤演化.      

Research on electron beam welding of in situ TiB<Subscript>2p</Subscript>/ZL101 composite

Electron beam welding of in situ TiB_2p reinforced aluminum composites was studied. The results show that no obvious pores or cracks is presented in the weld seam. The grains in the weld seam are remarkably refined and TiB₂ particles distribute much more homogeneously than that in base metal. The hardness values of fusion zone and heat affected zone (HAZ) are both increased in comparison with that of base metal. There are no interface reactions between TiB₂ particle and Al matrix. This results supply the evidence that the novel TiB_2p reinforced aluminum composites can be well joined with the electron beam welding.     

Research on Electron Beam Welding of in situ TiB_(2p)/ZL101 Composite

AbstractElectron beam welding of in situ TiB2p reinforced aluminum composites was studied.The results show that no obvious pores or cracks is presented in the weld seam.The grains in the weld seam are remarkably refined and TiB2 particles distribute much more homogeneously than that in base metal.The hardness values of fusion zone and heat affected zone(HAZ)are both increased in comparison with that of base metal.There are no interface reactions between TiB2 particle and Al matrix.This results supply the evidence that the novel TiB2p reinforced aluminum composites can be well joined with the electron beam welding.     

铝合金缺口试样疲劳寿命预测新方法研究

借鉴基于断裂力学的Walker裂纹扩展公式的形式,对主ΔSs-N方法中的裂纹扩展公式进行修正,得到一种新的考虑了平均应力影响的等效结构应力ΔSg.由于焊接结构中存在着高值残余应力,平均应力对于焊接接头的疲劳寿命影响并不显著,但对于非焊接缺口件,平均应力的影响是显著的.对11种铝合金缺口试样进行有限元分析,建立以ΔSg为参数的ΔSg-N曲线族,并对得到的数据进行二元线性回归分析,得到不同置信度下的主ΔSg-N曲线.将其与试验得到的以名义应力S和等效结构应力ΔSs为参数的ΔSs-N曲线族进行对比,发现ΔSg-N曲线存在着良好的归一性.