空间热循环下承载铝合金焊接接头损伤机理与数值模型

论文摘要

航天器的壳体、舱体通常采用铝合金焊接结构。由于空间环境的复杂性加之焊接接头本身所固有的组织不均匀性、几何不连续性,以及焊接残余应力的存在,使得接头部位往往成为焊接结构中最薄弱的部位。实践经验告诉我们,焊接结构的破坏大多都是从焊接接头中起源的。因此,对处于特定空间环境下承载焊接接头的损伤失效行为研究具有十分重要的意义。在地面常规条件下的有关焊接结构失效行为的研究方法和理论已经趋向成熟,但在空间特殊环境中并非完全适用。航天器焊接结构部件与地面结构相比,不但所处的环境不同,而且其破坏与失效的机理也有其特殊性。作者以航天器壳体用铝合金焊接接头为研究对象,从材料细观损伤入手,分析了近地空间热循环条件下承载焊接接头的特殊的损伤与失效机理;采用对比实验研究与解析计算相结合的方法,研究了热循环条件下接头材料细观损伤规律;并在此基础上,用跨尺度的研究方法揭示了细观损伤演化与宏观本构响应之间的定量关系。空间热循环是造成航天器故障的重要环境因素之一,长期的热循环作用会造成材料宏观性能的劣化。模拟空间热循环试验结果表明,长时间的热循环会导致承载焊接接头内部第二相粒子与基体材料脱开,进而形成微孔洞,微孔洞在应力场的作用下不断演化是造成材料宏观性能劣化的重要因素。作者从焊接冶金学角度对接头中第二相粒子的成因进行了分析,分析表明,TIG焊接热过程会在接头区域、尤其是在焊接热影响区中生成较多第二相粒子。温度的上下波动导致第二相粒子与基体之间产生热错配应力,热错配应力与外加载荷的联合作用会造成材料局部的塑性流。在热循环过程中塑性流的不断累积最终造成第二相粒子与基体脱粘,形成微孔洞。微孔洞的形成与演化会导致接头承载面积的减小,最终对接头宏观性能产生影响。孔洞型细观损伤是韧性材料在受载破坏和长期蠕变条件下的一种重要的损伤现象。迄今,已有几种理论模型可以描述微孔洞在材料内部的形成以及演化规律,但在热循环条件下孔洞损伤规律尚未见报道。作者通过研究细观尺度上的代表性体积单元在热循环作用下的行为响应,得出了热循环下细观尺度上的热应力、应变的解析解。以细观孔洞形核规律为切入点,对Gurson孔洞形核方程进行有效修正,引入热错配应力的影响,着力建立一套热循环辅助诱发孔洞形核机制。借助于Gurson孔洞型细观损伤理论,将细观层次上的“损伤”与宏观本构响应联系在一起,为热循环条件下损伤的定量计算奠定了理论基础。模型参数的选择与确定是影响模型计算精确度的一个重要因素。为将建立的损伤模型应用到热循环条件下焊接接头的损伤计算,还需特别考虑一些因焊接接头本身所固有的特性带来的初始条件和参数测定问题,包括焊接残余应力场、区域机械性能以及区域细观损伤参数的测定。作者采用实验测定与数值计算相结合的方法对构件中焊接残余应力场进行了测定与计算,并分析了其在受载过程的变化及对构件形变的影响。结果表明,即使在外载小于构件屈服极限的情况下,焊接残余应力的存在也会导致焊缝及近缝区产生塑性变形,造成附加损伤。采用物理模拟与数值模拟相结合的方法,对焊接接头各区域力学性能以及细观损伤参数分别进行了测定与计算,为损伤模型的应用提供了前提条件。采用中点积分算法,编写用户子程序对建立的材料本构模型“数值化”,子程序可与有限元软件完美结合,并对焊接接头试样和航天器壳体焊接结构在空间热循环条件下的细观损伤演化及宏观响应进行模拟计算。综上,本论文提供了有关空间热循环条件下承载铝合金焊接接头细观损伤与失效机制的新的实验发现,建立了热循环辅助孔洞形核机制,对热循环条件下材料体的宏观性能演化及尺寸不稳定效应进行了理论解析与定量计算。研究成果有助于丰富和发展孔洞型细观损伤理论,亦对航天器设计有所裨益。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的与意义
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 空间热循环环境及其对材料性能的影响
• 1.2.2 焊接结构强度设计及其损伤失效分析
• 1.2.3 损伤力学及其应用研究
• 1.2.4 有限元分析与细观组织建模
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 模拟空间热循环实验研究
• 2.1 引言
• 2.2 服役状态分析及热循环实验设计
• 2.3 试验材料及试验方法
• 2.3.1 试验材料
• 2.3.2 焊接试验
• 2.3.3 模拟空间热循环试验
• 2.3.4 性能测试及组织观测
• 2.4 本章小结
• 第3章 焊接接头热循环细观损伤特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 机械性能退化与宏观形变分析
• 3.2.1 热循环参数对接头断裂强度的影响
• 3.2.2 宏观残余变形
• 3.3 细观损伤与断裂特性分析
• 3.3.1 细观损伤特性分析
• 3.3.2 断裂失效特性分析
• 3.4 接头中的微粒子与微孔洞
• 3.5 本章小结
• 第4章 热循环辅助诱发孔洞形核机制研究
• 4.1 引言
• 4.2 代表性体元
• 4.3 热循环特征温度
• 4.4 热循环累积塑性应变
• 4.5 热循环辅助孔洞形核有限元分析
• 4.5.1 有限元细观模型的建立
• 4.5.2 细观形核过程有限元分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 热循环细观损伤模型及其算法研究
• 5.1 引言
• 5.2 Gurson模型及其扩展
• 5.2.1 塑性势方程
• 5.2.2 孔洞形核及长大
• 5.2.3 塑性流法则
• 5.2.4 孔洞的汇合
• 5.2.5 GTN方程的相关扩展
• 5.3 含热循环效应的Gurson方程
• 5.3.1 热循环下的基体应变
• 5.3.2 热循环下的形核方程
• 5.4 有限元算法研究
• 5.4.1 积分算法
• 5.4.2 用户材料子程序设计
• 5.4.3 子程序的校验
• 5.5 本章小结
• 第6章 热循环下承载焊接接头损伤演化模拟
• 6.1 引言
• 6.2 焊接残余应力及其演化
• 6.2.1 焊接残余应力产生的原因及残余应力场
• 6.2.2 焊接残余应力的实验测定
• 6.2.3 焊接残余应力的数值计算
• 6.2.4 焊接残余应力受载过程中的演化
• 6.3 性能与损伤参数的确定
• 6.3.1 区域力学性能测试与分析
• 6.3.2 材料细观损伤参数的确定
• 6.4 航天器壳体焊接接头应用模拟
• 6.4.1 应用于焊接接头试样
• 6.4.2 航天器壳体焊接接头损伤预测
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的论文
• 致谢
• 个人简历