激光焊接残余应力测量方法及其对加筋壁板承载能力的影响分析

摘要

激光焊接技术实现了桁条与蒙皮结构整体焊接壁板制造，提高了飞行器整体壁板结构的制造水平。然而，焊接热效应退化了局部的材料性质，造成焊接接头不可避免地存在热变形和热残余应力。本文开展了激光焊接残余应力测量的轮廓法研究，考虑残余应力的影响，评估了激光焊接加筋壁板的拉伸承载能力，讨论了桁条与蒙皮的失效机理。
　　首先，全面总结了轮廓法测量残余应力的基本理论、技术细节和影响因素。轮廓法的基本原理是将试件线切割成两个部分并测量由于残余应力释放而产生的轮廓变形；然后将反向的变形轮廓作为位移边界条件施加给有限元模型，来确定使切割表面被迫回到其原始形状而产生的应力；应用应力叠加原理确定整个部件的原始残余应力。该方法是将固体力学理论、实验和有限元计算三者相互结合来确定残余应力的方法，适用于金属法向全场残余应力测量。
　　其次，针对6061铝合金激光对接焊实验件，经过线切割、变形轮廓测量、数据光滑拟合、有限元建模、切割面有限元节点上施加反向轮廓位移进行有限元计算，得到激光焊接实验件切割面上法向全场残余应力以及整个截面轮廓变形。结果表明：焊接实验件在横截面方向上的纵向残余应力大致呈“W”型分布；在焊缝中心处为拉应力，靠近焊缝中心两侧对称位置出现最大压应力，远离焊缝中心两侧压应力趋近于零。
　　第三，以实际焊缝形貌作为热源特征参数，采用改进的激光焊接锥形体热源模型，建立完整的激光焊接壁板有限元三维模型，采用热/结构顺序耦合分析法，计算给出焊接后的残余应力场分布。计算结果表明与轮廓法实测残余应力分布吻合良好，在焊缝中心处峰值结果两者误差为15%。
　　第四，对激光焊接加筋壁板的拉伸承载能力进行实验评估。失效发生在激光焊缝位置，光学全场应变显示在焊缝区出现应变集中现象，应首先达到断裂强度，这说明焊缝区材料强度小于母材区，焊缝强度决定着整个加筋板承载能力的大小。采用有限元法分析了激光焊接残余应力对拉伸件承载能力的影响。结果表明：考虑残余应力的模型计算的极限载荷误差为1.7%，更加接近试件的真实极限载荷。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 焊接残余应力研究现状

1.3 残余应力产生机理

1.4 焊接过程中的残余应力和变形

1.5 残余应力的测量方法

1.6 本章小结

1.7 本文工作内容

2 残余应力测量的轮廓法

2.1 引言

2.2 基本原理

2.3 测试步骤

2.4 本章小结

3 轮廓法测量激光焊接残余应力

3.1 引言

3.2 试样准备

3.3 截面轮廓测量

3.4 轮廓数据整理

3.5 实验与有限元杂交反演分析方法

3.6 本章小结

4 有限元模拟激光焊接试件残余应力

4.1 引言

4.2 焊接过程的热分析

4.3 焊接过程的热应力分析

4.4 激光焊接壁板残余应力数值分析

4.5 结果和讨论

4.6 本章小结

5 激光焊接加筋板拉伸承载能力测试

5.1 引言

5.2 拉伸实验

5.3 测试结果

5.4 考虑残余应力的加筋板极限承载能力计算

5.5 失效机理分析

5.6 本章小结

6. 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢