基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的鋁合金十字接頭疲勞性能研究.pdf

1、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

2、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)

3、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

4、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

5、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