基于结构应力法的铝合金十字接头疲劳性能研究

发布时间：2017-08-02 15:33

  本文关键词：基于结构应力法的铝合金十字接头疲劳性能研究

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【摘要】：传统的名义应力法不能体现几何尺寸变化对疲劳寿命的影响,而采用热点应力法时,热点应力的计算受网格大小及单元类型影响较大。结构应力法应用基础结构力学理论,使应力的计算不再受到网格大小和单元类型的影响,实现了用一条基于等效结构应力的主S-N曲线计算复杂焊接结构的疲劳寿命,因此具有很高的应用价值。本文基于结构应力法,以铝合金十字接头为研究对象,从接头几何尺寸对其应力分布规律以及疲劳性能的影响入手,借助有限元静力分析与实验相结合的研究手段,阐明铝合金疲劳强度的主要影响因素,为承载十字接头的疲劳设计提供准则。根据力和力矩平衡的原理,编写结构应力与等效结构应力计算的后处理程序,利用非承载十字接头疲劳试验参数及接头静力分析计算焊趾失效模式的等效结构应力。明确7N01铝合金非承载十字接头疲劳失效的主S-N曲线,并与基于名义应力的S-N曲线对比,发现基于结构应力的主S-N曲线线性相关性更好,这归因于结构应力的计算考虑了接头几何形状变化对应力分布的影响。分析焊接质量、板厚以及焊脚尺寸对非承载十字接头疲劳寿命的影响,发现当初始缺陷尺寸约为0.01T(T为承载板厚度)时,缺陷对疲劳寿命影响不大,疲劳寿命仅降低5%左右;而当初始缺陷尺寸约为0.1T时,接头的疲劳寿命会降低50%左右。对比分析承载板厚度、非承载板厚度以及焊脚尺寸对接头疲劳寿命的影响。发现当名义应力为80MPa时,随着承载板厚度由6mm增大到20mm,接头疲劳寿命降低60%,这是由于承载板厚的增加改变了焊趾位置的应力集中状态,使焊趾裂纹的应力强度因子升高。非承载板厚度的变化对疲劳寿命影响不大。随着焊脚尺寸从6mm增大到12mm,接头的疲劳寿命降低8%。利用疲劳试验及有限元计算,基于结构应力法建立承载十字接头焊根失效模式的主S-N曲线,并与焊趾失效模式的主S-N曲线比较,发现两者存在较大差异,分析原因可能为:一是裂纹扩展路径的材料参数不同,导致两者裂纹扩展抗力不同,二是焊根和焊趾过渡圆弧半径不同,导致应力集中系数不同。未熔合区长度增加,承载十字接头焊根失效和焊趾失效的疲劳寿命均有所降低。当板厚为12mm,名义应力为80MPa时,随着未熔合区长度从4mm增加到12mm,焊根失效疲劳寿命下降96%,焊趾失效疲劳寿命下降35%。焊脚尺寸增加,承载十字接头焊根失效和焊趾失效的疲劳寿命均有所升高。当板厚为12mm,名义应力为80MPa时,随着焊脚尺寸从6mm增加到14mm,焊根失效疲劳寿命升高26倍,焊趾失效疲劳寿命升高1.75倍。造成这一差别的原因是,未熔合区长度的增加(或焊脚尺寸的减小)增大了焊根位置和焊趾位置的应力集中系数,而对于焊根失效而言,其裂纹扩展路径变短,因此疲劳寿命下降更多。对比分析承载十字接头焊根、焊趾两个位置的疲劳强度,得到等概率发生疲劳失效的临界焊脚尺寸。承载板厚度为6mm,8mm,12mm和20mm对应的临界焊脚尺寸分别为承载板厚度的1.3倍、1.1倍、1.3倍和1.7倍。当焊脚尺寸小于临界焊脚尺寸时,焊根位置更容易发生疲劳失效;当焊脚尺寸大于临界焊脚尺寸时,焊趾位置更容易发生疲劳失效。
【关键词】：结构应力法 十字接头 主S-N曲线 临界焊脚尺寸
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG407
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.2 疲劳寿命评定的传统方法11-13
• 1.3 十字接头疲劳强度研究现状13-19
• 1.3.1 非承载十字接头14-16
• 1.3.2 承载十字接头16-19
• 1.4 本文主要研究内容19-20
• 第2章 试验材料及方法20-27
• 2.1 试件材料成分及物化性能20-21
• 2.2 十字接头试件制备21-25
• 2.2.1 焊接规范制定21-22
• 2.2.2 非承载十字接头的制备22-24
• 2.2.3 承载十字接头的制备24-25
• 2.3 疲劳试验参数及数据处理25-27
• 第3章 非承载十字接头疲劳寿命研究27-49
• 3.1 疲劳试验及结果27-31
• 3.2 非承载十字接头承载分析31-37
• 3.2.1 结构应力的基本原理31
• 3.2.2 模型建立及边界条件设定31-32
• 3.2.3 焊趾截面结构应力的计算32-37
• 3.3 疲劳参数的确定及主S-N曲线37-39
• 3.4 焊接质量对疲劳寿命的影响39-42
• 3.4.1 结构应力分析39-40
• 3.4.2 金相组织分析40-42
• 3.5 板厚、焊脚尺寸对疲劳寿命的影响42-48
• 3.5.1 承载板厚T对疲劳寿命的影响42-45
• 3.5.2 非承载板厚B对疲劳寿命的影响45-47
• 3.5.3 焊脚尺寸h对疲劳寿命的影响47-48
• 3.6 本章小结48-49
• 第4章 承载十字接头疲劳寿命研究49-61
• 4.1 试验参数及结果49-50
• 4.2 焊根失效疲劳寿命计算方法50-54
• 4.2.1 承载十字接头焊根位置的结构应力50-53
• 4.2.2 与其他标准比较53-54
• 4.3 未熔合区长度的影响54-56
• 4.3.1 未熔合区长度对焊趾失效寿命的影响55
• 4.3.2 未熔合区长度对焊根失效寿命的影响55-56
• 4.4 焊脚尺寸的影响56-58
• 4.4.1 焊脚尺寸对焊趾失效寿命的影响57
• 4.4.2 焊脚尺寸对焊根失效寿命的影响57-58
• 4.5 临界焊脚尺寸的计算58-59
• 4.6 本章小结59-61
• 结论61-62
• 参考文献62-67
• 致谢67

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本文编号：609997