A7N01铝合金焊接接头疲劳强度优化设计

论文摘要

我国高速轨道列车制造技术发展迅速,已经逐步跨入国际先进行列。南车集团目前已经开始开发时速350km/h以上的轨道列车制造技术。车体底架采用A7N01铝合金焊接结构,是列车运行时的主要承载部件。A7N01铝合金是日本为高速列车开发的用于车体承载底架的高强铝合金材料,具有优良的综合性能。目前国产的A7N01铝合金车体结构服役性能不够稳定,表现为承载底架在动载荷作用下焊接接头部位短期内出现疲劳裂纹,从而对整个结构的安全可靠性造成较大影响。通过深入分析,认为应力集中是底架结构短期疲劳失效的最关键的影响因素,为此本论文确定了将降低焊接接头应力集中作为有效提高其疲劳强度的研究思路和主要措施,采用的方案是:通过有限元数值模拟技术计算多种典型A7N01铝合金焊接接头的应力集中情况,并分析各种几何参数对接头应力集中的影响,形成接头疲劳强度优化设计方案;再通过一系列试验对优化设计方案进行验证,最终为提高铝合金高速列车焊接构件疲劳性能提供合理的优化措施及其理论支撑。主要的工作和研究成果包括:对A7N01铝合金车体承载底架的三种典型对接接头的应力集中情况进行了理论分析计算。通过改变焊趾过渡角等焊缝几何参数对接头承载时的应力分布规律进行了深入分析计算,总结出应力集中系数与焊缝几何形状的对应关系规律,最终形成A7N01铝合金焊接接头疲劳强度优化设计方案。另外,通过理论计算证实三点弯曲法消除焊接试件的角变形可以减少附加应力的影响,并在应力集中部位引入残余压应力,从而对疲劳寿命的提高有很大贡献。对不同坡口形式的焊接接头进行了力学性能试验和疲劳性能分析研究。结果表明A7N01铝合金不对称单边V形坡口接头的疲劳寿命最低,主要断裂于焊趾位置。疲劳性能低下的原因是应力集中、角变形导致的附加应力和焊接缺陷。分别通过TIG熔修焊缝整形和焊趾铣削圆弧的方法实施改变接头形状参数的优化方案,对采用不同优化方法的接头进行系统疲劳性能测试。通过比较证实,手工TIG堆焊熔修不易控制焊趾角度,很难获得理想的接头形状以降低应力集中,整形后反而使疲劳寿命较之与原始状态有明显降低;机械加工获取焊趾圆滑过渡的方法可以精确控制焊趾处的圆弧半径尺寸,有效降低接头的应力集中,使接头疲劳寿命明显提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 意义与背景
• 1.2 7xxx铝合金的特点
• 1.3 铝合金焊接接头疲劳性能研究
• 1.4 A7N01 铝合金疲劳强度优化设计
• 1.4.1 有限元法在应力集中计算上的应用
• 1.4.2 几何参数对接头承载能力的影响
• 1.4.3 焊接接头的形状优化
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 验材料及测试方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 焊接工艺参数
• 2.3 A7N01 铝合金焊接接头性能测试方法
• 2.3.1 疲劳试验
• 2.3.2 静拉伸试验
• 2.3.3 硬度试验
• 2.3.4 断口分析及能谱分析
• 2.3.5 金相组织观察
• 2.3.6 几何特征统计
• 2.4 本章小结
• 第3章 规焊接头承载能力测试及失效分析
• 3.1 引言
• 3.2 A7N01 铝合金焊接接头力学性能
• 3.2.1 静拉伸
• 3.2.2 硬度
• 3.2.3 显微组织分析
• 3.2.4 焊接接头几何参数统计
• 3.2.5 疲劳试验及断口分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 A7N01 焊接接头几何参数优化有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 三种典型对接接头的应力集中计算
• 4.2.1 基本几何参数
• 4.2.2 有限元建模
• 4.2.3 材料性质与初始边界条件的施加
• 4.2.4 有限元计算结果
• 4.3 接头几何参数优化的有限元计算
• 4.3.1 焊道宽度对应力集中的影响
• 4.3.2 焊趾角对应力集中的影响
• 4.3.3 焊趾曲率半径对应力集中的影响
• 4.4 三点弯曲矫直对接头应力分布影响的分析计算
• 4.4.1 有限元建模
• 4.4.2 计算结果分析
• 4.5 A7N01 铝合金焊接接头形状优化设计方案
• 4.6 本章小结
• 第5章 A7N01 铝合金焊接接头几何优化试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 TIG熔修焊缝整形的接头性能分析
• 5.2.1 试验准备
• 5.2.2 宏观形貌和显微组织
• 5.2.3 几何参数统计
• 5.2.4 硬度分析
• 5.2.5 疲劳试验及断口分析
• 5.3 A7N01 铝合金焊接接头焊趾圆弧过渡性能分析
• 5.3.1 试验准备
• 5.3.2 疲劳试验及断口分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢