本文關(guān)鍵詞：基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的鋁合金十字接頭疲勞性能研究

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【摘要】：傳統(tǒng)的名義應(yīng)力法不能體現(xiàn)幾何尺寸變化對疲勞壽命的影響,而采用熱點應(yīng)力法時,熱點應(yīng)力的計算受網(wǎng)格大小及單元類型影響較大。結(jié)構(gòu)應(yīng)力法應(yīng)用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)力學(xué)理論,使應(yīng)力的計算不再受到網(wǎng)格大小和單元類型的影響,實現(xiàn)了用一條基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的主S-N曲線計算復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,因此具有很高的應(yīng)用價值。本文基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法,以鋁合金十字接頭為研究對象,從接頭幾何尺寸對其應(yīng)力分布規(guī)律以及疲勞性能的影響入手,借助有限元靜力分析與實驗相結(jié)合的研究手段,闡明鋁合金疲勞強度的主要影響因素,為承載十字接頭的疲勞設(shè)計提供準則。根據(jù)力和力矩平衡的原理,編寫結(jié)構(gòu)應(yīng)力與等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算的后處理程序,利用非承載十字接頭疲勞試驗參數(shù)及接頭靜力分析計算焊趾失效模式的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力。明確7N01鋁合金非承載十字接頭疲勞失效的主S-N曲線,并與基于名義應(yīng)力的S-N曲線對比,發(fā)現(xiàn)基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的主S-N曲線線性相關(guān)性更好,這歸因于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計算考慮了接頭幾何形狀變化對應(yīng)力分布的影響。分析焊接質(zhì)量、板厚以及焊腳尺寸對非承載十字接頭疲勞壽命的影響,發(fā)現(xiàn)當初始缺陷尺寸約為0.01T(T為承載板厚度)時,缺陷對疲勞壽命影響不大,疲勞壽命僅降低5%左右;而當初始缺陷尺寸約為0.1T時,接頭的疲勞壽命會降低50%左右。對比分析承載板厚度、非承載板厚度以及焊腳尺寸對接頭疲勞壽命的影響。發(fā)現(xiàn)當名義應(yīng)力為80MPa時,隨著承載板厚度由6mm增大到20mm,接頭疲勞壽命降低60%,這是由于承載板厚的增加改變了焊趾位置的應(yīng)力集中狀態(tài),使焊趾裂紋的應(yīng)力強度因子升高。非承載板厚度的變化對疲勞壽命影響不大。隨著焊腳尺寸從6mm增大到12mm,接頭的疲勞壽命降低8%。利用疲勞試驗及有限元計算,基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法建立承載十字接頭焊根失效模式的主S-N曲線,并與焊趾失效模式的主S-N曲線比較,發(fā)現(xiàn)兩者存在較大差異,分析原因可能為:一是裂紋擴展路徑的材料參數(shù)不同,導(dǎo)致兩者裂紋擴展抗力不同,二是焊根和焊趾過渡圓弧半徑不同,導(dǎo)致應(yīng)力集中系數(shù)不同。未熔合區(qū)長度增加,承載十字接頭焊根失效和焊趾失效的疲勞壽命均有所降低。當板厚為12mm,名義應(yīng)力為80MPa時,隨著未熔合區(qū)長度從4mm增加到12mm,焊根失效疲勞壽命下降96%,焊趾失效疲勞壽命下降35%。焊腳尺寸增加,承載十字接頭焊根失效和焊趾失效的疲勞壽命均有所升高。當板厚為12mm,名義應(yīng)力為80MPa時,隨著焊腳尺寸從6mm增加到14mm,焊根失效疲勞壽命升高26倍,焊趾失效疲勞壽命升高1.75倍。造成這一差別的原因是,未熔合區(qū)長度的增加(或焊腳尺寸的減小)增大了焊根位置和焊趾位置的應(yīng)力集中系數(shù),而對于焊根失效而言,其裂紋擴展路徑變短,因此疲勞壽命下降更多。對比分析承載十字接頭焊根、焊趾兩個位置的疲勞強度,得到等概率發(fā)生疲勞失效的臨界焊腳尺寸。承載板厚度為6mm,8mm,12mm和20mm對應(yīng)的臨界焊腳尺寸分別為承載板厚度的1.3倍、1.1倍、1.3倍和1.7倍。當焊腳尺寸小于臨界焊腳尺寸時,焊根位置更容易發(fā)生疲勞失效;當焊腳尺寸大于臨界焊腳尺寸時,焊趾位置更容易發(fā)生疲勞失效。
【關(guān)鍵詞】：結(jié)構(gòu)應(yīng)力法 十字接頭 主S-N曲線 臨界焊腳尺寸
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG407
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-20
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義10-11
• 1.2 疲勞壽命評定的傳統(tǒng)方法11-13
• 1.3 十字接頭疲勞強度研究現(xiàn)狀13-19
• 1.3.1 非承載十字接頭14-16
• 1.3.2 承載十字接頭16-19
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容19-20
• 第2章 試驗材料及方法20-27
• 2.1 試件材料成分及物化性能20-21
• 2.2 十字接頭試件制備21-25
• 2.2.1 焊接規(guī)范制定21-22
• 2.2.2 非承載十字接頭的制備22-24
• 2.2.3 承載十字接頭的制備24-25
• 2.3 疲勞試驗參數(shù)及數(shù)據(jù)處理25-27
• 第3章 非承載十字接頭疲勞壽命研究27-49
• 3.1 疲勞試驗及結(jié)果27-31
• 3.2 非承載十字接頭承載分析31-37
• 3.2.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力的基本原理31
• 3.2.2 模型建立及邊界條件設(shè)定31-32
• 3.2.3 焊趾截面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計算32-37
• 3.3 疲勞參數(shù)的確定及主S-N曲線37-39
• 3.4 焊接質(zhì)量對疲勞壽命的影響39-42
• 3.4.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析39-40
• 3.4.2 金相組織分析40-42
• 3.5 板厚、焊腳尺寸對疲勞壽命的影響42-48
• 3.5.1 承載板厚T對疲勞壽命的影響42-45
• 3.5.2 非承載板厚B對疲勞壽命的影響45-47
• 3.5.3 焊腳尺寸h對疲勞壽命的影響47-48
• 3.6 本章小結(jié)48-49
• 第4章 承載十字接頭疲勞壽命研究49-61
• 4.1 試驗參數(shù)及結(jié)果49-50
• 4.2 焊根失效疲勞壽命計算方法50-54
• 4.2.1 承載十字接頭焊根位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力50-53
• 4.2.2 與其他標準比較53-54
• 4.3 未熔合區(qū)長度的影響54-56
• 4.3.1 未熔合區(qū)長度對焊趾失效壽命的影響55
• 4.3.2 未熔合區(qū)長度對焊根失效壽命的影響55-56
• 4.4 焊腳尺寸的影響56-58
• 4.4.1 焊腳尺寸對焊趾失效壽命的影響57
• 4.4.2 焊腳尺寸對焊根失效壽命的影響57-58
• 4.5 臨界焊腳尺寸的計算58-59
• 4.6 本章小結(jié)59-61
• 結(jié)論61-62
• 參考文獻62-67
• 致謝67

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本文編號：609997