镁合金重叠的搅拌摩擦焊线性焊缝的疲劳寿命预测【中文7900字】
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镁合金重叠的搅拌摩擦焊线性焊缝的疲劳寿命预测【中文7900字】,镁合金,重叠,堆叠,搅拌,摩擦,磨擦,线性,焊缝,疲劳,寿命,预测,中文
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【中文 7900 字】镁合金重叠的搅拌摩擦焊线性焊缝的疲劳寿命预测摘要：这项工作是为了分析摩擦搅拌焊接样品中关键部位的应力/应变状态，并进一步用常规疲劳寿命预测方法评估摩擦搅拌焊接样品的疲劳强度。对镁合金制成的摩擦搅拌线性焊接（FSLW）试样进行了弹塑性和弹性有限元应力/应变分析。计算出的焊点周围的应力/应变用于评估疲劳寿命，并用局部寿命预测方法。首先，根据实验样本剖面建立弹塑性有限元模型。对不同载荷情况下的不同试件分别采用 Morrow 改进的 Manson-Coffin（MC）损伤方程和 Smith-Watson-Topper（SWT）损伤方程进行疲劳寿命预测。寿命预测结果表明，两个方程都可以在一定程度上给出合理的结果，特别是在低周疲劳寿命状态下，SWT损伤方程给出更保守的结果。至于高循环寿命，两种方法的预测结果都要长得多和分散。然后使用壳单元弹性模型来计算焊接熔核外围的结构应力。结构应力幅值与实验寿命之间的相关性表明了摩擦搅拌焊接的结构应力疲劳评估的合理性。在边缘的缺口的影响进一步探讨了生命预测中的表达方式。关键词：搅拌摩擦焊，局部应力应变，弹塑性有限元分析，循环应力应变，结构应力，疲劳寿命预测1.引言随着搅拌摩擦焊（FSW）工艺的使用扩大，FSW 结构的疲劳评估受到越来越多的关注。在工作应用中，焊缝经常受到不同的负载条件的影响，并且容易疲劳失效。然而，欧洲规范 9 等标准规范和指南仅涉及传统的焊接接头而非 FSW工艺1。因此，需要确定适当的方法和程序来评估摩擦搅拌焊接接头的疲劳。已经考虑了不同类型的样品，包括摩擦搅拌焊接接头，摩擦搅拌点焊接头，摩擦搅拌焊接搭接接头等。由于缺乏对机械性能的了解，FSW 搭接接头的研究并不完善。这种配置的形式2。影响搅拌摩擦焊接头疲劳强度的因素很多，例如不同的焊接参数和工作条件。此外，在 FSW 过程中，最初存在于接触片表面上的被捕获材料通常形成两种类似裂缝的曲线轮廓，通常称为钩状区域3或钩状缺陷4。关于摩擦搅拌焊接部件的疲劳寿命评估的参考文献相对较少，并且钩很少被考虑。由钩状缺陷引起的钩状缺陷和重叠片状变薄减小了剪切强度和疲劳寿命5-10。因此，为了预测寿命，需要考虑挂钩缺陷。在这项研究中，进行了有限元分析（FEA）以评估由镁合金制成的搅拌摩擦焊的应力/应变 - 疲劳寿命关系。在局部弹塑性应力 /应变分析中，考虑了焊核根部周围的钩区域轮廓。对于结构应力计算，FEA 模型中的焊缝仅用壳单元表示。讨论了两种方法评估搅拌摩擦焊接疲劳寿命的适应性。2.试样的疲劳试验本研究考虑的试样由三种不同的镁合金板材制成：AZ31 挤压，AM60 挤压和AM30 铸造。图 1 显示了所研究样品的典型形状，其中在两个片材的重叠区域存在线性焊缝，这里称为 FSLW。垂直于焊缝熔接线的横截面如图 2 所示。在前进侧和后退侧的焊缝处的薄片界面形状是不同的，其中薄片材料被旋转销工具搅起，在焊接过程中相互渗透;因此，在两个片的界面的每一侧上存在两个弯曲的形状。图 1 FSW 样品配置图 2 试样焊缝截面（a）AZ31 至 AM60，（b）AZ31 到 AZ31，和（c）AM30到 AM60除板厚差异之外，所有三组试样的构造相似。每个试样的两个试样的长度为 75 毫米，宽度为 30 毫米，搭接尺寸为 30 毫米。对于图 1 中的样品，上层为材料 AZ31，下层为 AM60。第二组样品由两块厚度为 2mm 的 AZ31 片材制成;每个试样的焊核宽度（焊接部分在长度方向上的最小尺寸）从退回侧的前进侧的挂钩末端到挂钩顶部的大约 5.38mm。第三组样品由 AM30（2.4 毫米，上部）和AM60（2.4 毫米，下部）片材之间的接头组成，焊缝宽度约为 6.27 毫米。负载控制恒幅振动疲劳试验在 MTS810 框架上在室温下进行，载荷频率为50Hz。载荷水平和实验寿命结果如表 1 所示。疲劳失效定义为当样本分成两部分时。失败的优惠券显示疲劳裂纹在焊接界面开始，如图 3 所示。焊接界面具有缺口状几何形状，其中板的厚度减小。在疲劳测试过程中，样品在每个末端都用垫片夹住，这样可以最大限度地减少片材厚度对焊接接头的影响。表 1 负载和疲劳测试结果图 3 典型的疲劳断裂模式应力与疲劳寿命之间的关系如图 4 所示。这里标称应力是载荷与板材横截面积的比值;没有陷阱效应正在考虑之中。这个数字显示 AM30-60 组中的标本与其他两组相比寿命最短。图 4 标称应力幅值的实验结果3.FSLW 节点的三维弹塑性有限元分析3.1 有限元模型的发展商业软件 ABAQUS 用于有限元弹塑性应力/应变分析。由于两个试样的宽度和厚度，焊接熔核在经度方向上的应力状态可以假定为平面应变状态。因此，为这些试样建立了壳单元模型，并且在有限元模型中使用了平面应变单元CPE4。AZ31-AM60 焊接试样的金块根部附近的元素如图 5 所示。该模型共有 973个节点和 830 个元素。焊核的周边密集地啮合，元件侧的最短长度为0.053mm。3.2 材料循环应力 - 应变曲线图 1 显示每个样品由两个片组成：上片材料为 AZ31，底片材料为 AM60。根据图 2 中的横截面和材料接触线，将两个材料模型分别分配到 FEA 模型中的两个不同区域，如图 5 所示。由于材料在这里彼此合并，因此没有确定该区域内物质界面的方法。因此，为了简化这里的材料定义，材料界面被假定为在钩形轮廓方向上延伸。由于焊接过程，两种材料混合物区域的材料机械行为变化在此不再考虑;这会对应力/应变计算结果产生一些影响。由于在焊接前后材料的总体积是不变的，因此两个试样的焊接区域内的网孔总面积保持不变。图 5 焊缝截面的有限元网格在有限元分析中，材料应力 - 应变关系，即 Osgood-Ramberg 曲线需要事先确定。三种材料的稳定循环应力 - 塑性应变曲线如图 6 所示。对于 AZ31 和AM30，弹性模量 E = 45 GPa 和泊松比 v = 0.35;对于 AM60，弹性模量 E = 39 GPa 和泊松比 v = 0.35;对于 AM30，弹性模量 E = 45GPa 和泊松比 v = 0.3。 AZ31 的应力 - 应变参数来自参考文献。 11，AM30 来自 Ref。 12和 AM60从测试结果。图 6 三种材料的稳定的循环应力 - 塑性应变曲线3.3 有限元分析结果在有限元分析模型中，位于前进侧顶板上的左端全部受到六个自由度的限制，而后退侧底板上的右端受到五个自由度，不包括经度方向。拉伸循环载荷沿着底板上的未拉伸方向施加。为了获得整个应力应变环路，至少有三个载荷步骤应用于有限元分析模型。由弹塑性有限元分析得到的 Mises 应力表明，在两个结合面的熔核边缘存在明显的应力集中，如图 7 所示。最高应力发生在切口根部附近（但距离装载侧的上部优惠券的焊接块）。由于加载引起的变形和变形，最大应力的位置应该与最大变薄位置略有不同。 Mises 应力和应力集中点三个主应力的典型应力 - 时间曲线如图 8 所示;三个主要压力都随着时间而改变。图 8 中也显示了三种主要的菌株;在这里，平面外方向的应变总是为零。这表明在关键部位的典型平面应变应力状态。图 7 Mises 应力（MPa）分布在熔核根部附近图 8 焊缝根部附近的应变状态。（a）最大 Mises 应力和三个主应力（MPa ）历史和（b）三个主应变历史。4.摩擦搅拌直线焊接接头的疲劳寿命预测在现代材料疲劳研究中，应力 - 应变曲线和应变 - 寿命曲线通常结合使用13。应变通常可以从有限元分析中获得，然后应变 - 寿命曲线用于计算疲劳寿命。通常使用的一个应变 - 寿命曲线是着名的 MC 方程。 Jinu 和 Sathiya 14使用 MC 方程来预测疲劳寿命与 FEM 结果的应变。 Heckel 和 Christ 15用 MC 方程研究了 TiAl 金属间化合物 TNB-V2 的热机械疲劳的疲劳行为。另一个常用的损伤模型是 SWT 方程。 Firat 16使用 SWT 方程来预测疲劳测试周期和裂纹萌生位置。佩雷拉等人。17用 Morrow 的修正 MC 和 SWT 损伤方程预测疲劳寿命。表 2 损伤方程参数在此，选择两种常规使用的局部应变方法，Morrow 的改进 MC 损伤方程和SWT 损伤方程，结合弹塑性 FEA 应力应变结果，用于疲劳寿命预测。 Morrow 方程和 SWT 方程用于方程式。（1）和（2）其中 De = 2 是总应变幅度，r0 是疲劳强度系数，rm 是平均应力，E 是弹性模量，b 是疲劳强度指数，e0 是疲劳延性系数，c 是疲劳延性指数， rmax 是最大应力。 从图 7 可知，应力集中总是存在于上部票券的凹口处。 由疲劳试验结果确定的这两种材料的疲劳参数如表 2 所示。4.1 测试结果和预测结果的比较Morrow 改进的 MC 损伤方程和 SWT 方程的寿命预测结果如图 9 所示。这里，用 MC 标记的空心符号是 Mor- row 改进的 MC 损伤方程的结果，而用 SWT 标记的实心符号是结果与 SWT 方程。两条平行的斜线是三因素线，意味着预测结果的散射在实验疲劳寿命的三倍和三分之一之间。预测结果与实验结果吻合较好。在低循环寿命范围内（ 105 个周期），但预测寿命值都比实验疲劳寿命长。图 9 MC 和 SWT 方法的寿命预测结果使用 SWT 方程的寿命预测结果也显示在图 9 中;与实验性疲劳寿命相比，这些预测疲劳寿命比 Morrow 改良 MC 获得的寿命要保守得多。在低周期状态下，预测值几乎都比实验数据的三个因子短或在其内。对于高周期状态，预测结果显示出比实验结果长得多的趋势。所使用的两种损伤模型都是局部应力应变方法（也称为切口方法）。这两个方程都可以给出合理的结果，特别是在低周期状态下，但结果在高周期区域分散得太广。此外，图 9 中每个组的预测结果不会相互混合，显示两种方法之间的差异。这也可能意味着，包括切口局部几何形状和局部材料力学行为（不考虑其他因素）确实对搅拌摩擦焊的寿命预测有显着影响。 局部应力 - 应变计算结果在很大程度上取决于模型的缺口根部几何形状和尺寸的局部配置，以及材料特性，搅拌焊接过程在很大程度上取决于该特性。 因此，即使可以模拟焊接钩的非常精确的轮廓，寿命预测结果仍然不能很好地匹配实验结果。5 使用结构应力方法的生活预测5.1 有限元模型的建立使用结构应力的有限元模型进行焊接接头疲劳寿命预测的方法不包括连接区域的详细几何形状，因为该方法使用节点力和力矩而不是局部应力/应变。根据图 1，这里的壳单元代表上部和下部的试样，并且焊缝也由一排壳单元表示。ABAQUS 环境下建立的焊缝周围的有限元模型如图 10 所示。二次壳单元 S4 用于分析，模型中仅有 572 个节点和 510 个单元，使用与局部应变方法相比，元素的数量更少。因此，这种表示焊接接头的方式对于结构应用非常有效，因为结构可以包含许多焊接接头。图 10 焊接接头的 FEA 表示5.2 有限元分析结果进行线性弹性 F
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