空間熱循環(huán)下承載鋁合金焊接接頭損傷機(jī)理與數(shù)值模型.pdf

1、航天器的殼體、艙體通常采用鋁合金焊接結(jié)構(gòu)。由于空間環(huán)境的復(fù)雜性加之焊接接頭本身所固有的組織不均勻性、幾何不連續(xù)性，以及焊接殘余應(yīng)力的存在，使得接頭部位往往成為焊接結(jié)構(gòu)中最薄弱的部位。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)告訴我們，焊接結(jié)構(gòu)的破壞大多都是從焊接接頭中起源的。因此，對(duì)處于特定空間環(huán)境下承載焊接接頭的損傷失效行為研究具有十分重要的意義。
　　在地面常規(guī)條件下的有關(guān)焊接結(jié)構(gòu)失效行為的研究方法和理論已經(jīng)趨向成熟，但在空間特殊環(huán)境中并非完全適用。航天器焊接

2、結(jié)構(gòu)部件與地面結(jié)構(gòu)相比，不但所處的環(huán)境不同，而且其破壞與失效的機(jī)理也有其特殊性。作者以航天器殼體用鋁合金焊接接頭為研究對(duì)象，從材料細(xì)觀損傷入手，分析了近地空間熱循環(huán)條件下承載焊接接頭的特殊的損傷與失效機(jī)理；采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究與解析計(jì)算相結(jié)合的方法，研究了熱循環(huán)條件下接頭材料細(xì)觀損傷規(guī)律；并在此基礎(chǔ)上，用跨尺度的研究方法揭示了細(xì)觀損傷演化與宏觀本構(gòu)響應(yīng)之間的定量關(guān)系。
　　空間熱循環(huán)是造成航天器故障的重要環(huán)境因素之一，長(zhǎng)期的熱循環(huán)作用

3、會(huì)造成材料宏觀性能的劣化。模擬空間熱循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明，長(zhǎng)時(shí)間的熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致承載焊接接頭內(nèi)部第二相粒子與基體材料脫開，進(jìn)而形成微孔洞，微孔洞在應(yīng)力場(chǎng)的作用下不斷演化是造成材料宏觀性能劣化的重要因素。作者從焊接冶金學(xué)角度對(duì)接頭中第二相粒子的成因進(jìn)行了分析，分析表明，TIG焊接熱過程會(huì)在接頭區(qū)域、尤其是在焊接熱影響區(qū)中生成較多第二相粒子。溫度的上下波動(dòng)導(dǎo)致第二相粒子與基體之間產(chǎn)生熱錯(cuò)配應(yīng)力，熱錯(cuò)配應(yīng)力與外加載荷的聯(lián)合作用會(huì)造成材料局部的塑性流

4、。在熱循環(huán)過程中塑性流的不斷累積最終造成第二相粒子與基體脫粘，形成微孔洞。微孔洞的形成與演化會(huì)導(dǎo)致接頭承載面積的減小，最終對(duì)接頭宏觀性能產(chǎn)生影響。
　　孔洞型細(xì)觀損傷是韌性材料在受載破壞和長(zhǎng)期蠕變條件下的一種重要的損傷現(xiàn)象。迄今，已有幾種理論模型可以描述微孔洞在材料內(nèi)部的形成以及演化規(guī)律，但在熱循環(huán)條件下孔洞損傷規(guī)律尚未見報(bào)道。作者通過研究細(xì)觀尺度上的代表性體積單元在熱循環(huán)作用下的行為響應(yīng)，得出了熱循環(huán)下細(xì)觀尺度上的熱應(yīng)力、應(yīng)變的

5、解析解。以細(xì)觀孔洞形核規(guī)律為切入點(diǎn)，對(duì)Gurson孔洞形核方程進(jìn)行有效修正，引入熱錯(cuò)配應(yīng)力的影響，著力建立一套熱循環(huán)輔助誘發(fā)孔洞形核機(jī)制。借助于Gurson孔洞型細(xì)觀損傷理論，將細(xì)觀層次上的“損傷”與宏觀本構(gòu)響應(yīng)聯(lián)系在一起，為熱循環(huán)條件下?lián)p傷的定量計(jì)算奠定了理論基礎(chǔ)。
　　模型參數(shù)的選擇與確定是影響模型計(jì)算精確度的一個(gè)重要因素。為將建立的損傷模型應(yīng)用到熱循環(huán)條件下焊接接頭的損傷計(jì)算，還需特別考慮一些因焊接接頭本身所固有的特性帶來的

6、初始條件和參數(shù)測(cè)定問題，包括焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)、區(qū)域機(jī)械性能以及區(qū)域細(xì)觀損傷參數(shù)的測(cè)定。
　　作者采用實(shí)驗(yàn)測(cè)定與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法對(duì)構(gòu)件中焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)定與計(jì)算，并分析了其在受載過程的變化及對(duì)構(gòu)件形變的影響。結(jié)果表明，即使在外載小于構(gòu)件屈服極限的情況下，焊接殘余應(yīng)力的存在也會(huì)導(dǎo)致焊縫及近縫區(qū)產(chǎn)生塑性變形，造成附加損傷。
　　采用物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)焊接接頭各區(qū)域力學(xué)性能以及細(xì)觀損傷參數(shù)分別進(jìn)行了測(cè)定與計(jì)算

7、，為損傷模型的應(yīng)用提供了前提條件。采用中點(diǎn)積分算法，編寫用戶子程序?qū)⒌牟牧媳緲?gòu)模型“數(shù)值化”，子程序可與有限元軟件完美結(jié)合，并對(duì)焊接接頭試樣和航天器殼體焊接結(jié)構(gòu)在空間熱循環(huán)條件下的細(xì)觀損傷演化及宏觀響應(yīng)進(jìn)行模擬計(jì)算。
　　綜上，本論文提供了有關(guān)空間熱循環(huán)條件下承載鋁合金焊接接頭細(xì)觀損傷與失效機(jī)制的新的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，建立了熱循環(huán)輔助孔洞形核機(jī)制，對(duì)熱循環(huán)條件下材料體的宏觀性能演化及尺寸不穩(wěn)定效應(yīng)進(jìn)行了理論解析與定量計(jì)算。研究成果有助