空間熱循環(huán)下承載鋁合金焊接接頭損傷機(jī)理與數(shù)值模型.pdf

1、航天器的殼體、艙體通常采用鋁合金焊接結(jié)構(gòu)。由于空間環(huán)境的復(fù)雜性加之焊接接頭本身所固有的組織不均勻性、幾何不連續(xù)性，以及焊接殘余應(yīng)力的存在，使得接頭部位往往成為焊接結(jié)構(gòu)中最薄弱的部位。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)告訴我們，焊接結(jié)構(gòu)的破壞大多都是從焊接接頭中起源的。因此，對處于特定空間環(huán)境下承載焊接接頭的損傷失效行為研究具有十分重要的意義。
　　在地面常規(guī)條件下的有關(guān)焊接結(jié)構(gòu)失效行為的研究方法和理論已經(jīng)趨向成熟，但在空間特殊環(huán)境中并非完全適用。航天器焊接

2、結(jié)構(gòu)部件與地面結(jié)構(gòu)相比，不但所處的環(huán)境不同，而且其破壞與失效的機(jī)理也有其特殊性。作者以航天器殼體用鋁合金焊接接頭為研究對象，從材料細(xì)觀損傷入手，分析了近地空間熱循環(huán)條件下承載焊接接頭的特殊的損傷與失效機(jī)理；采用對比實(shí)驗(yàn)研究與解析計(jì)算相結(jié)合的方法，研究了熱循環(huán)條件下接頭材料細(xì)觀損傷規(guī)律；并在此基礎(chǔ)上，用跨尺度的研究方法揭示了細(xì)觀損傷演化與宏觀本構(gòu)響應(yīng)之間的定量關(guān)系。
　　空間熱循環(huán)是造成航天器故障的重要環(huán)境因素之一，長期的熱循環(huán)作用

3、會(huì)造成材料宏觀性能的劣化。模擬空間熱循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明，長時(shí)間的熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致承載焊接接頭內(nèi)部第二相粒子與基體材料脫開，進(jìn)而形成微孔洞，微孔洞在應(yīng)力場的作用下不斷演化是造成材料宏觀性能劣化的重要因素。作者從焊接冶金學(xué)角度對接頭中第二相粒子的成因進(jìn)行了分析，分析表明，TIG焊接熱過程會(huì)在接頭區(qū)域、尤其是在焊接熱影響區(qū)中生成較多第二相粒子。溫度的上下波動(dòng)導(dǎo)致第二相粒子與基體之間產(chǎn)生熱錯(cuò)配應(yīng)力，熱錯(cuò)配應(yīng)力與外加載荷的聯(lián)合作用會(huì)造成材料局部的塑性流

4、。在熱循環(huán)過程中塑性流的不斷累積最終造成第二相粒子與基體脫粘，形成微孔洞。微孔洞的形成與演化會(huì)導(dǎo)致接頭承載面積的減小，最終對接頭宏觀性能產(chǎn)生影響。
　　孔洞型細(xì)觀損傷是韌性材料在受載破壞和長期蠕變條件下的一種重要的損傷現(xiàn)象。迄今，已有幾種理論模型可以描述微孔洞在材料內(nèi)部的形成以及演化規(guī)律，但在熱循環(huán)條件下孔洞損傷規(guī)律尚未見報(bào)道。作者通過研究細(xì)觀尺度上的代表性體積單元在熱循環(huán)作用下的行為響應(yīng)，得出了熱循環(huán)下細(xì)觀尺度上的熱應(yīng)力、應(yīng)變的

5、解析解。以細(xì)觀孔洞形核規(guī)律為切入點(diǎn)，對Gurson孔洞形核方程進(jìn)行有效修正，引入熱錯(cuò)配應(yīng)力的影響，著力建立一套熱循環(huán)輔助誘發(fā)孔洞形核機(jī)制。借助于Gurson孔洞型細(xì)觀損傷理論，將細(xì)觀層次上的“損傷”與宏觀本構(gòu)響應(yīng)聯(lián)系在一起，為熱循環(huán)條件下?lián)p傷的定量計(jì)算奠定了理論基礎(chǔ)。
　　模型參數(shù)的選擇與確定是影響模型計(jì)算精確度的一個(gè)重要因素。為將建立的損傷模型應(yīng)用到熱循環(huán)條件下焊接接頭的損傷計(jì)算，還需特別考慮一些因焊接接頭本身所固有的特性帶來的

6、初始條件和參數(shù)測定問題，包括焊接殘余應(yīng)力場、區(qū)域機(jī)械性能以及區(qū)域細(xì)觀損傷參數(shù)的測定。
　　作者采用實(shí)驗(yàn)測定與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法對構(gòu)件中焊接殘余應(yīng)力場進(jìn)行了測定與計(jì)算，并分析了其在受載過程的變化及對構(gòu)件形變的影響。結(jié)果表明，即使在外載小于構(gòu)件屈服極限的情況下，焊接殘余應(yīng)力的存在也會(huì)導(dǎo)致焊縫及近縫區(qū)產(chǎn)生塑性變形，造成附加損傷。
　　采用物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對焊接接頭各區(qū)域力學(xué)性能以及細(xì)觀損傷參數(shù)分別進(jìn)行了測定與計(jì)算

7、，為損傷模型的應(yīng)用提供了前提條件。采用中點(diǎn)積分算法，編寫用戶子程序?qū)⒌牟牧媳緲?gòu)模型“數(shù)值化”，子程序可與有限元軟件完美結(jié)合，并對焊接接頭試樣和航天器殼體焊接結(jié)構(gòu)在空間熱循環(huán)條件下的細(xì)觀損傷演化及宏觀響應(yīng)進(jìn)行模擬計(jì)算。
　　綜上，本論文提供了有關(guān)空間熱循環(huán)條件下承載鋁合金焊接接頭細(xì)觀損傷與失效機(jī)制的新的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，建立了熱循環(huán)輔助孔洞形核機(jī)制，對熱循環(huán)條件下材料體的宏觀性能演化及尺寸不穩(wěn)定效應(yīng)進(jìn)行了理論解析與定量計(jì)算。研究成果有助