非熔透激光焊接疲劳断裂机理研究

摘要

奥氏体不锈钢301L系列板材是用于制造轻量化客车的主要材料，其具有良好的力学性能和耐腐蚀性。当列车时速在250km以上时，由点焊制造的车体由于其密闭性差的特点不再满足需要，而非熔透激光焊接在满足强度和安全性的前提下，同时具有良好的气密性和表面光洁度。本论文通过疲劳试验，断裂模式分析，应力强度因子计算和应力分析对0.8mm+1.5mm、0.8mm+2.0mm、1.5mm+1.5mm和2.0mm+2.0mm四种不同板材组合的疲劳性能及疲劳断裂机理进行研究，并在此基础上提出优化板材组合疲劳性能的方案。
　　研究结果表明，疲劳断裂模式相同时，外墙板厚度相同的不同板材组合有相近的疲劳性能，当外墙板厚度不同，而试样疲劳断裂模式相同时，不同板材组合的S-N曲线变化趋势相近或相同。
　　试样应力强度因子进行计算分析表明，应力强度因子是影响疲劳断裂模式的原因。并且等效应力强度因子对数与试样疲劳寿命对数存在良好的线性关系，可根据等效应力强度因子对的试样疲劳寿命进行预测。通过局部应力强度因子计算分析认为疲劳裂纹萌生阶段为试样疲劳寿命的主要部分。
　　试样缺口应力分析表明，疲劳断裂发生在应力集中处，应力集中是造成试样疲劳破坏的主要原因。对同一板材组合，最大应力集中值越大，其疲劳寿命越小。试样内板厚度的变化是引起应力分布及大小变化的主要原因。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 选题背景及研究意义

1．2 不锈钢轨道客车

1．2．1 不锈钢客车车体材料

1．2．2 不锈钢轨道客车车体结构特点及发展

1．3 不锈钢焊接疲劳破坏机理

1．3．1 不锈钢激光焊接疲劳性能研究方法

1．3．2 不锈钢轨道客车车体疲劳研究现状

1．4 有限元仿真分析在疲劳研究中的使用

1．5 论文研究内容

2．1 试验材料

2．2 疲劳试样制备

2．3 疲劳试验条件及加载方法

2．4 试验分析方法

2．4．1 试样的切割与制备

2．4．2 焊接接头的疲劳断裂分析方法

2．5 基于ABAQUS的有限元仿真分析

2．6 本章小结

3 激光焊接结构S-N曲线及疲劳断裂分析

3．1 激光焊接结构疲劳试验及S-N曲线

3．1．1 1．5mm外墙板激光焊接结构S-N曲线

3．1．2 2mm外墙板激光焊接结构S-N曲线

3．1．3 焊接板材组合对S-N曲线的影响

3．2 激光焊接疲劳断裂模式

3．2．1 非等厚板低周疲劳断裂模式

3．2．2 非等厚板高周疲劳断裂模式

3．2．3 等厚板疲劳断裂模式

3．3 激光焊接疲劳裂纹扩展路径

3．4 激光焊接疲劳断口分析

3．5 激光焊接疲劳断裂行为对疲劳性能的影响

3．6 本章小结

4 基于应力强度因子的激光焊接疲劳寿命分析

4．1 搭接焊接结构的应力强度因子

4．2 搭接焊接结构应力强度因子的计算方法

4．3 搭接不锈钢激光焊接结构应力强度因子

4．3 激光焊接应力强度因子与疲劳寿命关系

4．3．1 非等厚板激光焊接应力强度因子与疲劳寿命

4．3．1 等厚板激光焊接应力强度因子与疲劳寿命

4．4 基于应力强度因子的疲劳寿命分析

4．4．1 应力强度因子对疲劳断裂模式的影响

4．4．2 基于应力强度因子的疲劳寿命分析

4．5 有限元局部应力强度因子激光焊接疲劳断裂分析

4．5．1 局部应力强度因子的计算方法

4．5．2 局部应力强度因子计算及疲劳断裂分析

4．6 本章小结

5．1 引言

5．2 搭接非熔透激光焊接结构有限元模型

5．2．1 非熔透搭接焊接结构建模

5．2．2 网格划分及加载方法

5．2．3 疲劳试样有限元模型验证

5．3 非熔透激光焊接疲劳应力分析

5．3．1 0．8mm+1．5mm焊缝应力分布与疲劳断裂

5．3．2 0．8mm+2．0mm焊缝应力分布与疲劳断裂

5．3．3 局部应力对非等厚板激光焊接疲劳断裂模式的影响

5．3．4 等厚板应力分布及分析

5．4 激光焊接最大缺口应力与疲劳寿命的关系

5．5 本章小结

6 基于最大缺口应力的搭接激光焊接优化

6．1 1．5mm外板非等厚板焊接结构优化

6．2 2．0mm外板非等厚板焊接结构优化

6．3 板材强度对激光焊接结构疲劳性能的影响

6．4 本章小结

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历

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