焊接结构随机振动疲劳分析方法研究与应用

针对焊接结构在服役过程中承受的随机动载荷频率与结构固有模态频率接近时,接头可能发生疲劳破坏,使传统单轴静载疲劳分析方法不再适用的问题,提出评估焊接结构的多轴随机振动疲劳分析方法。该方法将时域激励信号转化为自谱和互谱,并结合模态分解与结构应力方法,得到包括结构正应力与剪应力的自谱和互谱,基于路径依赖的最大范围法原理得到等效结构应力的功率谱,最后通过Dirlik模型计算出结构损伤和振动疲劳寿命。以某高速货车为例进行疲劳寿命分析与改进校核,验证了该方法可进一步提升焊接结构疲劳寿命预测的时效性和准确性。

高速动车组角焊缝应力集中的识别方法

针对高速动车组焊接构架角焊缝处应力集中无法采用名义应力法识别的问题,基于结构应力法,将角焊缝焊趾处的非线性应力分解为满足外载荷平衡的结构应力和自平衡的缺口应力,然后根据力的平衡方程得到各节点力及其力矩与线力及其线力矩间的对应关系,进而推导出结构应力的计算公式,并给出角焊缝应力集中识别流程;基于所给出的算法和识别流程,采用C/C++以及ANSYS软件提供的APDL语言开发出焊接结构应力识别专用软件WSS,对某高速动车组焊接构架上诸多角焊缝应力集中进行识别,验证了基于结构应力的角焊缝应力集中识别方法不仅能给出应力集中的具体位置,还能给出具体的应力峰值及其对应的疲劳寿命,可用于优化高速动车组焊接构架的抗疲劳设计。

基于结构应力方法的正面角焊缝抗剪强度分析

建立了基于结构应力定义的正面角焊缝抗剪强度理论,给出了新的焊缝抗剪强度计算公式,并基于该理论对焊缝抗剪强度相关问题进行了分析.结果表明,单向受剪等焊脚正面角焊缝的断裂角度理论值为22.5°,焊趾角度和受力状态均会影响断裂角度.另外焊趾角度为30°的单向受剪焊缝具有最大的承载能力,而双向受剪焊缝的承载能力比单向受力时的承载能力也明显提高.试验数据证明了该理论的正确性,该理论也为焊缝尺寸设计提供了理论基础.

高速动车组KK端多道焊焊接残余应力仿真研究

为降低动车组车体加工中的焊接残余应力,开展了动车组KK端多道焊焊接残余应力仿真研究。研究中基于热弹塑性有限元理论,利用实体-壳单元混合模型以有效减小计算规模,通过壳单元实现实体与壳单元连接的方法,建立了高速动车组KK端多道焊焊接残余应力仿真有限元模型。在试验的基础上,利用双椭球模型校核焊接热源,通过提取和简化各道焊平均热循环曲线,实现热源加载,分析了KK端焊接残余应力的分布规律。在此基础上,提出采用2种分段焊的优化方案,最终的计算结果表明,分段焊可有效的减小KK端的焊接残余应力。

焊接结构学中的热–力耦合问题简析

针对热加工制造中的热力耦合基础问题,借助基本力学理论,分别研究了一维刚性约束杆、二维平板及满足刚性约束的3-Bar模型在升降温过程中的应力应变演化规律.结果表明,3-Bar模型中加热条带的宽度即为焊接塑性区的宽度;焊接塑性区的纵向残余应力接近材料屈服强度;塑性区大小,塑性区尺寸及其所在位置为焊后变形控制及焊接接头设计关键所在,焊缝塑性区应尽可能接近并对称于结构中性轴分布,以避免产生附加变形;将加热温度峰值与加热宽度输入3-Bar模型,可预测火焰调修控制变形效果.火焰调修时自第二个热循环作用起,残余应力与塑性应变均无法发生改变,调修中反复加热同一区域为无用功.

7N01铝合金十字接头抗疲劳设计

首次针对铝合金十字接头的疲劳失效模式开展研究.借助有限元分析与疲劳试验相结合的研究手段,首先将传统的热点应力(HSS)与研究中的等效结构应力(equilibrium equivalent traction force/EETS)的应力集中系数对比,证实了EETS分析结果的网格不敏感性.基于此,深入分析十字接头连续板厚度、接头熔深以及加载跨距对焊趾与焊根处应力的影响,并提出有效结构应力(effective traction force)计算焊根开裂角度.结果表明,焊趾处等效结构应力不受连续板厚度、加载跨距与熔深的影响,而在焊根处,各个因素影响不一.疲劳试验与解析预测结果高度一致,承载十字接头焊根开裂角度并非45°.十字接头的抗疲劳设计需综合考虑接头几何特征与焊接质量,必须满足焊趾处等效结构应力(Ss,toe)高于焊根处等效结构应力(Ss,toe).

结构应变法在焊件低周疲劳中的应用研究

为了研究等效结构应变法在低周疲劳范围的适用性,参考船舶焊接结构细节的小尺寸模型疲劳试验结果,建立多种材料本构关系的二维有限元模型,基于主E-N曲线研究结构应变法对有限元模型焊缝材料属性划分的敏感性,提出一种针对弹性有限元计算结果的修正方法;基于相同的船舶焊接结构细节,对比等效结构应变法和有效缺口应变法。研究结果表明结构应变法对焊缝材料划分的敏感性低,相比于有效缺口应变法更适用于低周期疲劳评估。