航天器貯箱鋁合金焊接接頭強(qiáng)度特性研究.pdf

1、由于鋁合金焊接結(jié)構(gòu)在減輕結(jié)構(gòu)重量、適應(yīng)低溫/腐蝕環(huán)境和提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造的靈活性及效率等方面具備顯著優(yōu)勢(shì),因而成為航天運(yùn)載工具中貯箱的重要結(jié)構(gòu)形式。但由于焊接制造過程的特殊性,焊接接頭強(qiáng)度受到局部力學(xué)性能不均勻、殘余應(yīng)力和焊縫余高引起的應(yīng)力集中等焊接特有因素的復(fù)雜耦合影響,給焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題的分析計(jì)算帶來很大困難。
　　針對(duì)以上問題,本文以焊接接頭局部力學(xué)性能特性為主線,分析研究了靜態(tài)加載、預(yù)腐蝕和疲勞加載條件下焊接因素對(duì)接頭強(qiáng)度的

2、影響以及相應(yīng)的強(qiáng)度評(píng)估方法。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下五個(gè)方面。
　　(1)焊接接頭局部力學(xué)性能試驗(yàn)測(cè)量方法研究。根據(jù)微觀組織形貌,確定局部力學(xué)性能在接頭中變化的關(guān)鍵點(diǎn);在局部拉伸試驗(yàn)中對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)量,獲取了局部力學(xué)性能準(zhǔn)確的離散性數(shù)據(jù);歸納了焊接接頭局部力學(xué)性能的離散特性。結(jié)果表明,焊接接頭塑性力學(xué)性能在近焊縫的局部區(qū)域內(nèi)發(fā)生著連續(xù)、非線性且大幅的變化,而該區(qū)域內(nèi)彈性模量則較為一致,但彈性段范圍各不相同;局部力

3、學(xué)性能的不均勻性與焊縫余高之間的耦合作用對(duì)接頭強(qiáng)度和斷裂位置存在重要影響。
　　(2)焊接接頭強(qiáng)度數(shù)值分析方法研究。歸納總結(jié)了焊接接頭局部區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)之間在力學(xué)性能上的相關(guān)性和差異性;構(gòu)建了描述該區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)力學(xué)性能的數(shù)學(xué)模型;提出了兼顧計(jì)算精度和效率的有限元建模方法;對(duì)焊接接頭拉伸試樣進(jìn)行了有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,局部區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)應(yīng)力-塑性應(yīng)變雙對(duì)數(shù)曲線具有相同的斜率,曲線與坐標(biāo)軸交點(diǎn)的縱坐標(biāo)和屈服強(qiáng)度呈比例關(guān)系;所提出

4、的數(shù)學(xué)模型,不僅提供了有限元分析所需數(shù)據(jù),而且給出了一種僅需少量簡(jiǎn)單試驗(yàn)數(shù)據(jù)的局部力學(xué)性能估算方法;局部力學(xué)性能與其它因素的耦合作用是決定接頭強(qiáng)度的關(guān)鍵因素,通過對(duì)耦合作用位置的細(xì)化和對(duì)其它區(qū)域的簡(jiǎn)化,可兼顧分析精度和效率。
　　(3)焊接接頭釋放應(yīng)變-殘余應(yīng)力關(guān)系研究。分析總結(jié)了局部力學(xué)性能不均勻影響殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的原因;通過數(shù)值分析方法,計(jì)算了考慮局部力學(xué)性能影響后的釋放應(yīng)變-殘余應(yīng)力數(shù)值關(guān)系;分析總結(jié)了局部力學(xué)性能對(duì)結(jié)果的

5、影響。結(jié)果表明,接頭局部區(qū)域力學(xué)性能與母材的差異,使得區(qū)域內(nèi)釋放應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系與母材存在區(qū)別,導(dǎo)致殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差,其對(duì)殘余拉應(yīng)力極大值的影響最大;鋁合金焊接接頭中殘余拉應(yīng)力極值一般小于母材的屈服強(qiáng)度,但很可能已達(dá)到甚至超過所處位置材料的實(shí)際屈服強(qiáng)度。
　　(4)貯箱焊接接頭預(yù)腐蝕強(qiáng)度性能研究。針對(duì)長(zhǎng)期貯存腐蝕性溶液的貯箱中的焊接接頭在腐蝕后承受高強(qiáng)度拉伸載荷的特殊工況,通過鋁合金焊接接頭和母材試樣的腐蝕試驗(yàn),比較分析了焊

6、接接頭與母材之間在腐蝕性能上的差異;提出了結(jié)合局部力學(xué)試驗(yàn)、腐蝕試驗(yàn)和有限元方法的焊接接頭預(yù)腐蝕強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法;通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證;對(duì)接頭中關(guān)鍵位置斷裂應(yīng)力隨腐蝕時(shí)間的變化進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明,焊接接頭不同區(qū)域的腐蝕性能存在顯著差異;腐蝕性能是影響接頭預(yù)腐蝕強(qiáng)度的重要因素,隨著腐蝕時(shí)間的增加腐蝕的影響逐漸增大;在腐蝕和局部力學(xué)性能的共同作用下,預(yù)腐蝕斷裂的位置隨著時(shí)間而發(fā)生變化。
　　(5)貯箱焊接接頭疲勞與斷裂性能研究。針對(duì)重

7、復(fù)使用的貯箱中的焊接接頭承受交變載荷的特殊工況,根據(jù)疲勞危險(xiǎn)部位的局部力學(xué)性能數(shù)據(jù)估算了該處疲勞性能參數(shù);預(yù)測(cè)了疲勞壽命并通過疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證;分析了焊接和厚度效應(yīng)對(duì)焊接薄板臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響;提出了一種通過斷口處臨界裂紋類型和尺寸來估算斷口處臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子的方法。結(jié)果表明,疲勞斷裂部位的局部力學(xué)性能是影響估算結(jié)果的關(guān)鍵因素,采用斷裂部位的局部拉伸性能數(shù)據(jù)估算得到的疲勞性能參數(shù)能夠滿足工程計(jì)算的要求;利用斷口裂紋尺寸對(duì)臨界應(yīng)力強(qiáng)