铝合金薄板搅拌摩擦焊搭接接头疲劳强度研究

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搅拌摩擦焊作为一种固态焊接技术很好地解决了铝合金等轻金属的连接难题。随着对搅拌摩擦焊研究的不断深入,搭接焊缝正更多地引起关注。搭接接头两侧不对称的钩状缺陷无法避免,这直接影响了搭接接头静拉伸强度及疲劳强度。作为一种新兴焊接工艺,当前对搅拌摩擦焊搭接接头的疲劳强度研究还不够深入,对搭接接头的疲劳行为还缺乏更深层次的认识。本文以AA2024-T351铝合金搅拌摩擦焊搭接接头为研究对象,通过对其进行试验分析以及仿真分析,探讨其疲劳问题。论文的具体研究内容如下:1.对搅拌摩擦焊搭接接头焊缝横截面进行金相观察及硬度测试,分析焊缝横截面中各个区域金相组织由焊接而引起的变化以及焊缝接头中的缺陷,并测得搭接接头焊缝区域硬度分布,寻找搅拌摩擦焊搭接接头焊后焊缝区域硬度分布规律。对搭接接头进行静力拉伸试验,确定其力学性能。通过静力拉伸结果设计不同载荷水平下搭接接头疲劳试验,探究载荷水平和疲劳寿命的关系。观察不同载荷水平下疲劳断裂位置,分析载荷水平对搭接接头断裂模式的影响。通过电镜扫描不同疲劳载荷下的疲劳断口,分析不同断口的各个区域断口特征。2.对搅拌摩擦焊搭接接头建立基于扩展有限法的裂纹扩展模型,模拟搭接接头的静力拉伸,分析搭接接头在静力拉伸过程中的力学性能变化,观察裂纹扩展中裂纹尖端应力场,进行初始裂尖单元应力分析,裂纹扩展路径分析。又分别采用两种无预制裂纹的搭接接头裂纹扩展模型,观察搭接接头受到静力拉伸后裂纹萌生及扩展情况。3.建立搭接接头的二维有限元模型,采用多载荷步方法模拟搭接接头受到循环加载下的拉伸状态,分析搭接接头应力集中区域的应力应变,得到有限元分析中循环受力下应力集中区域的循环应力应变数据。并通过SWT疲劳损伤公式预测搭接接头的疲劳寿命,将其与试验寿命进行比较,结果表明SWT疲劳损伤公式能够很好的预测搅拌摩擦搭接接头低周疲劳寿命,但是对高周疲劳寿命的预测不够理想。同时建立前进侧钩状缺陷不同偏转角度模型,预测模型前进侧疲劳寿命,并进行分析。
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