搅拌摩擦焊接焊区裂纹稳定扩展数值分析

论文摘要

目前,铝合金AA2024-T351（简称AA2024-T351）的搅拌摩擦焊接技术正越来越广泛地用于工程关键结构。但少见FSW焊区裂纹扩展机理的研究文献。对该机理的研究,可以预知裂纹在材料中的扩展规律和断裂参数,寻求有效的断裂判据。这对搅拌摩擦焊接工艺参数的优化、焊接强度的提高、工程焊接结构的抗疲劳及抗断裂设计、剩余寿命的估算等方面具有重要的工程应用价值和学术价值。本文的研究思路是:在已有的大量实验数据的基础上,通过数值模拟研究FSW焊区裂纹稳定扩展的过程及过程中力学参量和承载能力的变化;反映裂纹尖端应力场及塑性区的动态变化;结合焊区微观组织,对比裂纹稳定扩展的实验与数值结果进行分析;给定裂纹扩展过程中的断裂判据。本文应用软件Franc2D/L对铝合金2024-T351进行了三种焊接参数下焊区及母材的Ⅰ型（0°加载）与复合型（30°、60°加载）裂纹稳定扩展的二维数值分析:一、对Ⅰ型裂纹稳定扩展的数值分析,表明应用Franc2D/L计算Ⅰ型裂纹稳定扩展的可行性。1)对比分析数值计算与实验获得的最大载荷值及载荷-裂纹扩展曲线（P-△a曲线）,研究了焊区材料强度与母材之间的差异。表明FSW焊区与母材是一种低强匹配。2)分析裂纹稳定扩展过程中有效应力及Y向应力动态分布数据。这是实验研究很难完成的工作,也是数值分析的意义之一。通过数值计算,更加深入精确地分析和了解裂纹的扩展规律。3)修正了临界COD判据。得到并采用拟合临界COD曲线作为FSW裂纹稳态扩展判据,可全程模拟裂纹从起裂到稳定扩展的过程。4)分析了裂纹稳定扩展过程中裂尖塑性区真实尺寸和形状。这也是实验研究很难完成的工作。二、对Ⅰ—Ⅱ复合型（30°、60°加载）裂纹稳定扩展的线弹性数值分析中,初步表明应用Franc2D/L计算复合型裂纹稳定扩展的可行性。1)分析复合型裂纹扩展过程中,加载角度的变化及焊接参数的变化对裂纹扩展路径的影响。2)分析了弹塑性与线弹性材料在裂纹扩展的过程中K因子的不同表现。3)通过30°和60°的Ⅰ—Ⅱ复合型裂纹扩展的复合度分析,表明30°和60°裂纹稳定扩展过程中主要是Ⅰ型主导,只在裂纹起裂阶段是复合型的;4)通过30°和60°的Ⅰ—Ⅱ复合型裂纹扩展数值分析,表明采用Franc2D/L进行Ⅰ—Ⅱ复合型裂纹扩展的路径、复合度分析是可行的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出及选题意义
• 1.2 国内外研究现状与动态
• 1.2.1 材料及其应用简介
• 1.2.2 搅拌摩擦焊接（FSW）技术的原理与应用
• 1.2.2.1 搅拌摩擦焊接原理
• 1.2.2.2 铝合金搅拌摩擦焊接的应用与前景
• 1.2.3 铝合金搅拌摩擦焊接（FSW）焊区断裂性能的研究现状
• 1.2.3.1 焊接断裂力学研究现状
• 1.2.3.2 铝合金搅拌摩擦焊接焊区力学性能研究
• 1.2.3.3 AA2024-T351搅拌摩擦焊接焊区断裂性能研究现状
• 1.3 论文研究的主要内容
• 1.4 论文的创新点
• 第二章 相关理论及断裂分析软件简介
• 2.1 有限元理论
• 2.1.1 有限元法概述
• 2.1.2 有限元法在断裂力学中的应用
• 2.1.2.1 裂纹尖端奇异性
• 2.1.2.2 裂纹尖端奇异元的构建
• 2.2 焊接断裂力学判据及复合断裂理论
• 2.2.1 焊接焊区断裂力学判定方法
• 2.2.1.1 应力强度因子（K）判据
• 2.2.1.2 COD理论
• 2.2.1.3 J积分理论
• 2.2.2 复合断裂理论
• 2.2.2.1 最大周向应力理论
• 2.2.2.2 能量释放率理论
• 2.2.2.3 应变能密度因子理论
• 2.3 二维断裂分析软件
• 2.3.1 Franc2D/L的组成与操作
• 2.3.2 Franc2D/L采用的判据
• 2.4 本章小结
• 第三章 AA2024-T351搅拌摩擦焊接（FSW）焊区组织性能变化及裂纹稳定扩展实验分析
• 3.1 FSW术语与焊接参数
• 3.2 AA2024-T351FSW复合裂纹稳定扩展实验
• 3.2.1 裂纹稳定扩展实验
• 3.2.2 裂纹稳定扩展实验结果与分析
• 3.2.2.1 P-Δα曲线
• 3.2.2.2 临界COD曲线
• 3.2.2.3 裂纹扩展路径
• 3.3 焊区组织变化
• 3.4 本章小结
• 第四章 AA2024-T351FSW焊区I型裂纹稳定扩展数值分析
• 4.1 Franc2D/L数值分析过程
• 4.1.1 计算模型的建立与网格划分
• 4.1.2 前处理
• 4.1.3 求解与后处理
• 4.1.3.1 裂纹扩展的线弹性求解
• 4.1.3.2 裂纹扩展的弹塑性求解
• 4.2 计算结果与分析
• 4.2.1 载荷与裂纹扩展长度关系（P-Δα曲线）
• 4.2.1.1 母材及三种焊接参数板材P-Δα曲线数值计算结果与分析
• 4.2.1.2 不同焊接参数板材临界COD拟合曲线分析─临界COD判据的修正
• 4.2.1.3 最大承载力比较分析
• 4.2.1.4 结果分析小结
• 4.2.2 裂纹扩展过程网格重划分与有效应力计算
• 4.2.2.1 网格重划分
• 4.2.2.2 不同焊接参数板材有效应力结果分析
• 4.2.2.3 裂纹尖端最大有效应力曲线分析
• 4.2.2.4 有效应力分析小结
• 4.2.3 不同焊接参数板材Y向应力计算
• 4.2.3.1 不同焊接参数板材Y向应力云图
• 4.2.3.2 不同焊接参数板材Y向应力分析
• 4.2.3.3 裂纹所在轴线（X轴）上的Y向应力分布曲线
• 4.2.3.4 Y向应力分析小结
• 4.2.4 不同焊接参数板材裂纹扩展不同阶段塑性区尺寸
• 4.3 不同焊接参数板材I型裂纹稳定扩展数值分析结论
• 4.4 本章小结
• 第五章 AA2024-T351搅拌摩擦焊（FSW）I-II复合型裂纹稳定扩展数值分析
• 5.1 线弹性的计算过程
• 5.1.1 模型建立与前处理
• 5.1.2 采用的复合断裂判据
• 5.1.3 求解与后处理
• 5.2 数值计算结果与分析
• 5.2.1 裂纹扩展过程中的网格重划分与裂纹扩展路径
• 5.2.1.1 裂纹扩展过程中的网格重划分分析
• 5.2.1.2 裂纹扩展路径分析
• 5.2.1.3 结果分析小结
• 5.2.2 应力强度因子K及J积分
• 5.2.2.1 计算结果与分析
• 5.2.2.2 结果分析小结
• 5.2.3 复合度分析
• 5.3 I-II复合型裂纹稳定扩展数值分析结论
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 存在的问题及研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录（攻读硕士学位期间发表的论文）