搅拌摩擦焊接构件残余状态和疲劳寿命研究

摘要

搅拌摩擦焊接过程中，焊缝区域存在较大的温度梯度，并且温度场随着搅拌头的运动而发生变化，这种时间和空间尺度上的不均匀加热和冷却过程，必然会引起焊接残余应力和残余变形。焊接残余应力会影响构件的损伤容限和疲劳寿命，而残余变形会影响焊接构件的装配。因此，研究搅拌摩擦焊接构件的残余应力分布、残余变形和疲劳寿命，对搅拌摩擦焊接技术的工程应用具有重要意义。尽管可以采用试验的方法来研究焊接结构的残余状态和疲劳寿命，但试验方法容易受到周围环境因素的影响，可重复性差、周期长。因此采用数值方法对搅拌摩擦焊接过程进行研究是非常有必要的，可以避免费时耗资的重复试验，降低产品设计的时间成本和资金成本，对搅拌摩擦焊接的应用和发展具有深远意义。
　　本文采用数值方法研究了平板对接焊和复杂结构T型焊的温度场、残余应力场分布情况以及焊后残余变形，分析了构件尺寸对残余变形的影响，并通过优化构件尺寸降低焊接残余变形;通过中心裂纹拉伸构件和单边裂纹偏心拉伸构件研究了平板对接焊的残余应力对焊接构件疲劳寿命的影响，并通过详细分析裂纹尖端应力场分布，揭示残余应力对构件疲劳寿命影响的机理。本文各章节安排如下:
　　第一章综述了搅拌摩擦焊接技术的研究进展，主要包括搅拌摩擦焊接数值模型、搅拌摩擦焊接构件温度场、搅拌摩擦焊接构件残余状态和搅拌摩擦焊接构件疲劳性能，并概述了本文工作的主要内容。
　　第二章详细介绍了顺序热力耦合模型的基本理论及其有限元格式，介绍了焊接热源形式及其实施方法。然后介绍了断裂力学基本理论和疲劳裂纹扩展速率预测方法，其中包括裂纹扩展模式和应力强度因子计算方法，并对几种裂纹扩展速率预测公式做了简要介绍。
　　第三章建立了顺序热力耦合有限元模型，并通过ABAQUS子程序接口DFLUX编写搅拌头移动热源程序，对搅拌摩擦焊接过程进行数值仿真。通过数值结果与试验结果的对比，验证了本文所建立模型的正确性。讨论了数值模型的网格敏感性，分析模型网格尺寸对计算结果的影响，并给出了焊缝区域的合理网格尺寸，考察了不同热源形式对计算结果的影响。采用试错法，研究了焊接热输入功率与搅拌头转速之间的关系，并将热输入功率表示为搅拌头转速的函数。通过分析焊接过程中应力变化过程，揭示焊接构件产生弯曲变形的原因。研究了构件尺寸对焊接残余变形的影响，并建立构件尺寸和残余变形之间的关系式。
　　第四章研究了T型焊残余应力和残余变形。建立了T型焊接数值模型，预测焊接温度场、残余应力场和残余变形。理论分析了特殊形状搅拌头与构件之间摩擦生热情况，并采用移动热源的形式模拟搅拌头的作用。对比了T型焊接构件和平板对接焊构件残余应力分布形式，并研究筋板尺寸对残余应力的影响。通过分析放开夹具约束之前构件的截面弯矩，揭示了T型焊接构件残余变形机理。考察了筋板尺寸和形状对焊接残余变形的影响，并通过优化筋板尺寸减小焊接残余变形。最后，研究了焊后热处理对焊接残余应力的影响。
　　第五章研究了平板对接焊的残余应力对焊接构件疲劳寿命的影响。建立了改进的搅拌摩擦焊接顺序热力耦合模型，通过该模型可以更加准确地预测焊缝区域的残余应力。建立了焊接构件的断裂力学有限元模型计算残余应力强度因子，通过与已有结果对比验证了该模型的正确性。采用线弹性断裂力学叠加方法和裂纹闭合方法预测焊接构件疲劳裂纹扩展速率和疲劳寿命。详细分析了裂纹尖端应力场分布情况，揭示残余应力对焊接构件疲劳裂纹扩展速率影响的机理。分析残余应力对中心裂纹和边界裂纹疲劳裂纹扩展速率的影响，找出危险裂纹的位置。最后研究了焊接参数对焊接构件疲劳寿命的影响，并将搅拌摩擦焊接构件的疲劳寿命和TIG焊接构件的疲劳寿命进行了比较。
　　第六章对本文已完成工作进行了总结，并展望以后的研究内容和工作。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 搅拌摩擦焊接研究进展

1．2．1 搅拌摩擦焊接数值模型

1．2．2 搅拌摩擦焊接构件温度场

1．2．3 搅拌摩擦焊接构件残余状态

1．2．4 搅拌摩擦焊接构件疲劳性能

1．3 本文主要研究内容

2 顺序热力耦合理论及断裂力学理论介绍

2．1 引言

2．2 顺序热力耦合理论描述

2．2．1 瞬态传热理论描述

2．2．2 瞬态传热分析有限元格式

2．3．3 热应力计算理论描述

2．2．4 热应力的有限元格式

2．3 断裂力学理论和预测裂纹扩展速率方法

2．3．1 应力强度因子

2．3．2 裂纹扩展速率预测方法

2．4 本章小结

3 搅拌摩擦焊接平板对接焊研究

3．1 引言

3．2 焊接温度场研究

3．2．1 瞬态传热模型描述

3．2．2 网格敏感性分析

3．2．3 热源模型研究

3．2．4 热输入功率与搅拌头转速关系研究

3．3 搅拌摩擦焊接残余状态研究

3．3．1 顺序热力耦合有限元模型描述

3．3．1 残余应力和残余变形

3．3．2 模型尺寸对残余变形影响

3．4 本章小结

4 T型焊接残余状态研究

4．1 引言

4．2 模型描述

4．3 温度场分布

4．4 约束对残余状态的影响

4．5 筋板形状和尺寸对残余状态的影响

4．6 焊后热处理对残余应力的影响

4．7 本章小结

5 残余应力对焊接构件疲劳寿命影响研究

5．1 引言

5．2 模型描述

5．2．1 顺序热力耦合模型

5．2．2 断裂力学模型

5．2．3 疲劳裂纹扩展速率的预测方法

5．2．4 多尺度扩展有限元模型

5．3 模型对比

5．4 方法验证

5．5 残余应力对构件疲劳裂纹扩展速率影响研究

5．5．1 残余应力和残余应力强度因子

5．5．2 残余应力对构件疲劳寿命影响研究

5．5．3 搅拌头转速对构件疲劳寿命的影响

5．6 搅拌摩擦焊接和TIG焊接对构件疲劳寿命影响对比

5．6．1 TIG焊接热源模型

5．6．2 TIG焊接顺热力耦合模型验证

5．6．3 不同焊接形式对焊接构件疲劳寿命影响

5．7 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点摘要

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介