焊接缺陷对铝合金车体断裂失效的影响分析
发布时间：2021-04-06 01:57
动车组车体的轻量化设计广泛地采用铝合金焊接结构。虽然焊接存在着连接稳固、成本低廉的优点,但是铝合金焊接更容易在焊缝部位产生夹杂物、气孔、热裂纹等焊接缺陷,在服役过程中会形成裂纹源,对车体结构安全性造成威胁。焊接残余应力是焊接过程中不可避免的另一种焊接缺陷,拉伸残余应力会增加裂纹驱动力并降低材料的断裂抵抗力,在服役过程中会对车体强度可靠性具有极大的威胁。因此,采用断裂力学的分析方法对列车车体进行评估,研究焊接残余应力和裂纹化的缺陷对车体断裂失效的影响,对车体的服役安全性评估和焊接质量的控制具有重要的意义。采用热-弹塑性法、线性断裂力学、裂纹当量化表征、等参逆映射法、有限元法、固有应变法、可靠性安全系数法、结构应力法和FAD方法相结合的方法研究焊接缺陷对车体断裂失效的影响,为焊接质量的控制和车体安全性评估提供了方法参考。研究内容主要包含四个部分。首先,采用热-弹塑性法对焊接接头模型进行数值模拟。根据铝合金车体上的各焊接接头形式,建立相应的几何及有限元模型,使用顺序耦合的方法计算了焊接温度场和热应力。其次,采用线弹性断裂力学方法对焊接缺陷裂纹化表征模型进行应力强度因子计算。建立焊接接头裂纹的...
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2-3双椭球热源模型
西南交通大学硕士研究生学位论文第14页热介质的温度(C);（2）应力场计算边界条件在本次模拟数值中，如图2-4所示，施加的边界条件（自由约束）为:对A，B，C处各顶点施加约束，A点在x,y,z方向都实施约束，B点在y,z方向都实施约束，C点在y方向都实施约束。总体实现6个自由度的约束，防止过约束或者欠约束。图2-4位移边界条件（3）求解设置焊接温度场的分析步类型选择传热分析。由于应用了生死单元法，热源移动激活焊道，所以当热源每激活一层焊道即需要设置一个分析步，因此需要设置多个分析步。当热源离开模型时，设定一个分析步用于焊接接头模型的冷却。在热源模型移动的分析步中，初始时间步长设置为0.01s，最小时间步长设置为1e-8s，最大时间步长为1s。在冷却过程中，设置初始时间步长为0.01s,最小时间步长设置为1e-8s，最大时间步长为10s，冷却时间设置为600s。因为加热过程对最后的结果影响很大，所以其最大时间步长不宜设置过大。每个时间步长内温度变化不超过1000℃。各个接头的焊接过程分析步设置如表2-4所示。表2-4分析步设置焊接时间（s）冷却时间（s）单道焊50600第一道焊接时间冷却时间第二道焊接时间冷却时间多道焊502050600其中单道焊包括板厚为3mm的对接和搭接以及板厚为4mm的对接。多道焊则是指板厚为8mm的两道焊对接。焊接应力场的分析步类型选择静力分析。其分析步设置需要和所计算的温度场一致，以保证温度场结果可以顺利以热载荷的方式加载到计算应力的模型上。与温度场不同的是，应力场需要将大变形打开。
西南交通大学硕士研究生学位论文第15页2.3残余应力数值模拟结果分析顺序耦合热应力分析中，焊接接头的温度场结果是决定接下来应力场结果正确与否的关键因素。温度过高则会使得焊接残余应力值过大，而温度过低则会导致整个计算失败，无法得出有效的应力场结果，因此需要先进行热源校核，确保在热源稳定后，焊接区域能够处于熔融状态。因为板厚为3mm与板厚为4mm的对接接头模型除了板厚和热输入，其他焊接条件都相同，故温度趋势及残余应力分布相同，在云图结果中仅显示板厚为3mm的对接、搭接以及板厚为8mm的对接接头模型。2.3.1焊接温度场结果分析（1）板厚为3mm的对接以及搭接接头温度场结果从焊接接头瞬态温度场计算结果中选取时间为0.3s、25s、50s、200s的温度场云图如图2-5所示。（a）0.3s时温度场云图（b）25s时温度场云图（c）50s时温度场云图（d）200s时温度场云图（e）0.3s时温度场云图（f）25s时温度场云图
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于结构应力法的车体结构疲劳裂纹扩展与剩余寿命评估[J]. 杨海宾,朱涛,肖守讷,阳光武,杨冰. 铁道机车车辆. 2019(01)
[2]基于结构整体性评估程序和失效评定图方法的含裂纹缺陷钢轨安全性评定[J]. 于辉,邹海贝,李伟,翟建伟,刘利刚. 中国机械工程. 2019(03)
[3]残余应力对薄板激光搭接接头力学性能的影响[J]. 梁行,姜云禄,陈怀宁,阚盈. 焊接学报. 2017(10)
[4]焊接结构抗疲劳设计理论与方法[J]. 兆文忠,李向伟,董平沙. 焊接技术. 2017(08)
[5]拉格朗日插值方法和等参单元逆变换方法在热固耦合中的应用[J]. 金赛英,陈铁锋. 装备制造技术. 2017(07)
[6]高速列车车体的灵敏度分析及轻量化设计[J]. 高月华,石晓飞,谢素明,杜礼明. 铁道科学与工程学报. 2017(05)
[7]高速列车用A6N01-T5铝合金激光-MIG复合焊接头疲劳性能研究[J]. 张翔. 热加工工艺. 2017(07)
[8]惯性释放法在大型复杂结构焊接变形预测中的应用（英文）[J]. 王阳,罗宇,陈震,薛健. 船舶力学. 2016(09)
[9]焊接变形预测中固有应变施加的简易方法[J]. 顾颖,李亚东,强斌,杨元录. 热加工工艺. 2016(05)
[10]300km/h高速列车车体残余应力超声波法无损测量[J]. 路浩,马子奇,刘雪松,方洪渊. 焊接学报. 2010(08)
博士论文
[1]基于疲劳损伤累积理论的结构寿命预测与时变可靠性分析方法研究[D]. 彭兆春.电子科技大学 2017
[2]铁道客车转向架焊接构架疲劳可靠性研究[D]. 卢耀辉.西南交通大学 2011
硕士论文
[1]焊接残余应力数值计算及对铝合金车体强度可靠性的影响分析[D]. 赵智堂.西南交通大学 2018
[2]高速列车铝合金焊接接头裂纹的扩展行为[D]. 王亚东.兰州理工大学 2018
[3]基于结构应力的高速列车铝合金焊接车体疲劳寿命预测方法研究[D]. 向鹏霖.西南交通大学 2017
[4]高速列车车体疲劳强度可靠性分析[D]. 冯振.西南交通大学 2016
[5]高速列车车体承载关键部位的焊接缺陷容限研究[D]. 王帅丽.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3120530
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2-3双椭球热源模型
西南交通大学硕士研究生学位论文第14页热介质的温度(C);（2）应力场计算边界条件在本次模拟数值中，如图2-4所示，施加的边界条件（自由约束）为:对A，B，C处各顶点施加约束，A点在x,y,z方向都实施约束，B点在y,z方向都实施约束，C点在y方向都实施约束。总体实现6个自由度的约束，防止过约束或者欠约束。图2-4位移边界条件（3）求解设置焊接温度场的分析步类型选择传热分析。由于应用了生死单元法，热源移动激活焊道，所以当热源每激活一层焊道即需要设置一个分析步，因此需要设置多个分析步。当热源离开模型时，设定一个分析步用于焊接接头模型的冷却。在热源模型移动的分析步中，初始时间步长设置为0.01s，最小时间步长设置为1e-8s，最大时间步长为1s。在冷却过程中，设置初始时间步长为0.01s,最小时间步长设置为1e-8s，最大时间步长为10s，冷却时间设置为600s。因为加热过程对最后的结果影响很大，所以其最大时间步长不宜设置过大。每个时间步长内温度变化不超过1000℃。各个接头的焊接过程分析步设置如表2-4所示。表2-4分析步设置焊接时间（s）冷却时间（s）单道焊50600第一道焊接时间冷却时间第二道焊接时间冷却时间多道焊502050600其中单道焊包括板厚为3mm的对接和搭接以及板厚为4mm的对接。多道焊则是指板厚为8mm的两道焊对接。焊接应力场的分析步类型选择静力分析。其分析步设置需要和所计算的温度场一致，以保证温度场结果可以顺利以热载荷的方式加载到计算应力的模型上。与温度场不同的是，应力场需要将大变形打开。
西南交通大学硕士研究生学位论文第15页2.3残余应力数值模拟结果分析顺序耦合热应力分析中，焊接接头的温度场结果是决定接下来应力场结果正确与否的关键因素。温度过高则会使得焊接残余应力值过大，而温度过低则会导致整个计算失败，无法得出有效的应力场结果，因此需要先进行热源校核，确保在热源稳定后，焊接区域能够处于熔融状态。因为板厚为3mm与板厚为4mm的对接接头模型除了板厚和热输入，其他焊接条件都相同，故温度趋势及残余应力分布相同，在云图结果中仅显示板厚为3mm的对接、搭接以及板厚为8mm的对接接头模型。2.3.1焊接温度场结果分析（1）板厚为3mm的对接以及搭接接头温度场结果从焊接接头瞬态温度场计算结果中选取时间为0.3s、25s、50s、200s的温度场云图如图2-5所示。（a）0.3s时温度场云图（b）25s时温度场云图（c）50s时温度场云图（d）200s时温度场云图（e）0.3s时温度场云图（f）25s时温度场云图
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于结构应力法的车体结构疲劳裂纹扩展与剩余寿命评估[J]. 杨海宾,朱涛,肖守讷,阳光武,杨冰. 铁道机车车辆. 2019(01)
[2]基于结构整体性评估程序和失效评定图方法的含裂纹缺陷钢轨安全性评定[J]. 于辉,邹海贝,李伟,翟建伟,刘利刚. 中国机械工程. 2019(03)
[3]残余应力对薄板激光搭接接头力学性能的影响[J]. 梁行,姜云禄,陈怀宁,阚盈. 焊接学报. 2017(10)
[4]焊接结构抗疲劳设计理论与方法[J]. 兆文忠,李向伟,董平沙. 焊接技术. 2017(08)
[5]拉格朗日插值方法和等参单元逆变换方法在热固耦合中的应用[J]. 金赛英,陈铁锋. 装备制造技术. 2017(07)
[6]高速列车车体的灵敏度分析及轻量化设计[J]. 高月华,石晓飞,谢素明,杜礼明. 铁道科学与工程学报. 2017(05)
[7]高速列车用A6N01-T5铝合金激光-MIG复合焊接头疲劳性能研究[J]. 张翔. 热加工工艺. 2017(07)
[8]惯性释放法在大型复杂结构焊接变形预测中的应用（英文）[J]. 王阳,罗宇,陈震,薛健. 船舶力学. 2016(09)
[9]焊接变形预测中固有应变施加的简易方法[J]. 顾颖,李亚东,强斌,杨元录. 热加工工艺. 2016(05)
[10]300km/h高速列车车体残余应力超声波法无损测量[J]. 路浩,马子奇,刘雪松,方洪渊. 焊接学报. 2010(08)
博士论文
[1]基于疲劳损伤累积理论的结构寿命预测与时变可靠性分析方法研究[D]. 彭兆春.电子科技大学 2017
[2]铁道客车转向架焊接构架疲劳可靠性研究[D]. 卢耀辉.西南交通大学 2011
硕士论文
[1]焊接残余应力数值计算及对铝合金车体强度可靠性的影响分析[D]. 赵智堂.西南交通大学 2018
[2]高速列车铝合金焊接接头裂纹的扩展行为[D]. 王亚东.兰州理工大学 2018
[3]基于结构应力的高速列车铝合金焊接车体疲劳寿命预测方法研究[D]. 向鹏霖.西南交通大学 2017
[4]高速列车车体疲劳强度可靠性分析[D]. 冯振.西南交通大学 2016
[5]高速列车车体承载关键部位的焊接缺陷容限研究[D]. 王帅丽.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3120530
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