缺口对胶接接头冲击性能的影响

摘要

本文采用数值模拟与实验相结合的方法,以对接胶接接头为研究对象,以优化胶接接头的动态应力分布、提高胶接接头的冲击性能为目标,对金属胶接接头受冲击载荷下的应力和应变响应及其影响因素进行了研究,得出了如下主要结论:
　　(1)采用有限元分析软件 ANSYS/LS-DYNA,建立了金属对接胶接接头受夏比冲击载荷作用下的弹塑性模型。计算结果表明:胶层中心截面上的应力近似呈对称分布,胶层下端各正应力均为拉应力,上端为压应力,胶层中心应力最小,离胶层中心越远应力及应变越大。在冲击开始时,胶层的应力及应变都是先急剧上升,达到一定值之后上升速率趋于平缓。
　　(2)在弹塑性有限元模型的基础上,研究了冲击块质量对胶接接头夏比冲击载荷下胶层应力及应变响应的影响。计算结果表明:增大冲击块质量,胶层定义节点的应力及应变速率和大小有一定程度的上升,且冲击块质量越大,胶层应力及应变上升速率越大且胶层等效应力的屈服点有所提高,但上升幅度不大。与埃佐冲击载荷下冲击块质量对胶层应力及应变响应的影响相同,说明在冲击速率为3.2m/s的情况下,在一定范围内增大冲击块的质量对两种冲击方式下胶层的应力及应变响应影响不大。
　　(3)在弹塑性有限元模型的基础上,研究了冲击块半径对胶接接头受冲击载荷时胶层的应力及应变响应的影响。计算结果表明:当冲击速率为3.2m/s,冲击块质量为2.52kg时,随着冲击块半径的增加,两种冲击方式下胶层的各应力及应变随之增大,但是冲击块半径的增加并没有明显的增大胶层的应力。当冲击块半径为1mm和2mm时,夏比冲击时胶层的应力及应变出现一定程度的波动,继续增大冲击块半径时胶层的应力及应变曲线变平滑。两种冲击方式下,冲击块半径为3mm是比较合适的。
　　(4)采用弹塑性有限元模型,研究了冲击块质量为2.52kg,冲击速率为3.2m/s,冲击块半径为3mm时,支座跨距对夏比冲击载荷下胶层应力及应变响应的影响。计算结果表明:随着支座跨距的增加,胶层的各应力及应变逐渐减小,但是当支座跨距超过40mm以后,对胶层的应力及应变响应影响不大。当支座跨距小于40mm时,对胶层所定义节点 A的应力及应变影响较大,其对应节点处的塑性应变近似为其他支座跨距下胶层对应节点塑性应变的2.5倍,因此,对胶接接头进行夏比冲击时,支座跨距为40mm比较合适。
　　(5)采用数值模拟研究了两种冲击方式下,缺口尺寸对胶层应力及应变响应的影响,并用实验方法研究了缺口尺寸对胶接接头冲击韧度的影响。有限元计算结果表明:两种冲击方式下,胶层所定义节点的应力及应变随着缺口尺寸的增加而减小,缺口尺寸越大,胶层的应力及应变波动程度越大。实验结果表明:当缺口尺寸为2mm时,两种冲击方式下,接头的冲击吸收功均为最大,继续增大胶层的缺口尺寸,接头的冲击吸收功逐渐下降。接头的冲击韧度则随着缺口尺寸的增加而增大,一开始增加比较缓慢,当缺口尺寸超过4mm时,胶层的冲击韧度急剧增大。有限元模拟结果与实验结果相吻合。
　　(6)采用弹塑性有限元模型,研究了两种冲击方式下,胶层中心缺陷对胶层应力及应变响应的影响。计算结果表明:当胶层中心缺陷尺寸不超过3mm×3mm时,对胶层的应力及应变响应影响不大,继续增大缺陷尺寸时,胶层的应力及应变显著增大,当缺陷尺寸为7mm×7mm时,胶层所定义节点的塑性累积应变都显著大于其他缺陷尺寸下胶层所定义节点的塑性应变值,说明当胶层中心缺陷尺寸控制在一定范围内时,对胶接接头的冲击性能影响不大,若缺陷尺寸过大,则会显著降低接头的承载能力。
　　(7)对比分析了夏比和埃佐两种冲击方式对胶层所定义节点的应力及应变响应的影响。结果表明:埃佐冲击方式下,胶层所定义节点的应力及应变均大于夏比冲击下胶层对应节点的应力及应变,且应力及应变响应也快于夏比冲击,在相同冲击作用时间下其塑性应变值远大于夏比冲击时胶层中对应节点的塑性应变值。埃佐冲击时胶层节点的最终塑性累积应变近似为夏比冲击时胶层对应节点的塑性应变的2倍,与课题组前期所做的实验结果夏比冲击时胶接接头的冲击吸收功大于埃佐冲击时接头的冲击吸收功相吻合。

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引言

1 绪论

1.1 胶接技术的应用

1.2 胶接接头的分析基础

1.3 胶接接头冲击性能的研究现状

1.4 胶接接头有限元分析的力学模型

1.5 本文的主要研究工作

2 胶接接头冲击性能的基础研究

2.1 引言

2.2 夏比冲击载荷下对接胶接接头的应力响应

2.3 冲击块质量对夏比冲击载荷下胶层应力的影响

2.4 冲击块半径对夏比冲击载荷下胶层应力的影响

2.5 冲击块半径对埃佐冲击载荷下胶层应力的影响

2.6 支座跨距对夏比冲击载荷下胶层应力的影响

2.7 本章小结

3 缺口对胶接接头冲击性能的影响

3.1 缺口尺寸对接头夏比冲击性能的影响

3.2 缺口尺寸对胶接接头埃佐冲击性能的影响

3.3 中心缺陷对夏比冲击载荷下胶层应力的影响

3.4 中心缺陷对埃佐冲击载荷下胶层应力的影响

3.5 两种冲击方式下接头的力学性能对比

3.6 本章小结

4 全文总结与展望

4.1 主要结论

4.2 本文创新之处

4.3 课题研究展望

参考文献

附录：攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢