6063铝合金薄壁管T型接头变形及有限元仿真-材料加工工程硕士论文

兰州理工大学 硕士学位论文 6063铝合金薄壁管T型接头变形及有限元仿真 姓名：张哲 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：朱亮 20080501 硕士学位论文 摘要 基于铝合金框架结构的轻量化车身是节能环保型汽车的发展方向。铝及其合金的密 度小、塑性好、比强度高，因此可以实现车身的轻量化。铝车身框架结构的连接主要采 用单面角焊缝组成的薄壁管T 型焊接接头。接头热影响区存在复杂的力学性能不均匀 性，这对汽车在碰撞过程中框架结构的变形程度有很大的影响。因此，有必要对薄壁管 T 型接头的变形行为进行研究，同时为整车碰撞模型中接头的建模提供依据。围绕上述 问题，本文通过力学试验与有限元仿真相结合的方法，对6 0 6 3 铝合金单面角焊缝薄板T 型接头和薄壁管T 型接头进行了如下研究： 为了减少焊接缺陷对接头力学性能的影响，焊前对薄板T 型接头垫铜板，在薄壁管 T 型接头内腔加铜衬管，并在其焊缝端部加引弧板等措施。同时选择合理的焊接工艺参 数，焊接出用于力学试验的T 型接头。 焊接接头可分为焊缝区、完全固溶区、软化区、母材区。通过双孔微剪切的方法测 量出T 型接头各区的宽度及局部力学性能，为T 型接头力学试验的有限元模拟提供材料 建模的依据。 从薄壁管T 型接头中取出单面角焊缝的小T 型接头，设计小T 型接头双向拉伸试 验及夹具。通过有限元模拟，确定出试样的尺寸和斜拉角度，并进行试验。试验结果表 明，该试验方法可以用来评价单面角焊缝在不同加载条件下的失效方式及变形特性，同 时也验证了小T 型接头建模的准确性。在该模型基础上，对接头的材料模型不进行分区 并赋统一的材料性能，经过计算得到简化薄壁管T 型接头材料建模的等效模型。 对2 种类型的薄壁管T 型接头，进行弯矩和压缩试验，测定其载荷与变形的响应关 系，分析其极限强度。建立有限元模型，研究接头极限强度及变形过程。结果表明，不 等宽T 型接头在弯矩载荷下，载荷与变形响应曲线上无峰值；等宽管T 型接头在弯矩和 压缩载荷下，先发生整体屈服，后达到峰值载荷。铝合金薄壁管T 型接头强度设计时的 极限承载能力应为接头整体屈服时的载荷，焊缝区和热影响区的软化对接头承载能力有 比较大的影响。根据小T 型接头的等效模型对薄壁管T 型接头材料模型进行简化，通过 对比仿真与试验的结果，验证了等效模型的合理性。 关键词：小T 型接头；薄壁管T 型接头；双向拉伸；极限承载能力；有限元模拟；6 0 6 3 铝合金 I l I 6 0 6 3 铝合金薄壁管T 型接头变形及有限元仿真 A b s t r a c t 越1 瑚i l l u ma 1 1 0 ys p a c e 丘锄ei so fc n l c i a li n t e r e s t i n gf o rp r o d u c i n gm I e1 i 9 1 l t - w e i 曲t a u t o m o b i l e ，w r h i c h c a I lr e d u c et h em e lc o n s u m p t i o na n de I l V i r o n m e n t a lp o l h l t i o n T h e a 1 啪i n u ma n di t sa l l o y sc a nb eu s e dt om a l l u f a c t u r et 1 1 el i 曲t - w e i 曲ta u t o m o b i l ed u et ot h e i r l o wd e l l s i 咄w e l lp l a s t i C i t y 锄dh i 曲s p e c i f i cs t 豫1 薛h B o d ys p a c e 仃锄ec o I l l l e c t e dm a i l l l yb y “n w a l lh 0 1 1 0 wT - j o i l l t 砌c ho m yw e l d e do n es i d e T 1 1 ec o m p l i c a t e dm e C h 砌c a l h e t e r o g e n e i t yo fj o i n tH A Z 蕊e c t st h ed e f o r m a t i o no f 矗a m ei nV e m c l ec 0 1 l i s i o n I ti s n e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t em ed e f o n n a t i o nb e h a v i o ro ft h i n - w a Uh o l l o wT 一j o i n t ，a n dp r 0 V i d em e b a s i sf o rt h ej o i n t so fv e h i c l ec o l l i s i o nm o d e l T h e6 0 6 3 灿一a l l o ys i n 百es i d e7 r _ j o i ma I l d t h i n w a l lh o l l o ww e r ei n v e s t i g a t e db yc o m b i n i n gm e c h a n i c a l t e s ta n df i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o nb a s e do nt h ea b o v ei s s u ea sf b l l o w s I no r d e rt or e d u c ew e l d i n gd e f e c t so nm em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fj o i n t ，f o l l o w i n g m e a s u r e sh a sb e e na d o p t e d ：a ) p u t t i n gc o p p e rb o a r d su n d e rt h eTt y p ej o i n t ，b ) p u t t i n gc o p p e r b u s h i n gp i p ei nr e c t a n g l ep i p ea n dg u i d i n ga r cb o a r db e s i d et h ew e l d i n gs e 锄b e f b r ew e l d i n g t h i n - w a l lh 0 1 1 0 wT - j o i n t s C o m b i n i n go t h e rs u i t a b l ew e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，g o o dw e l d e d j o i n t sc a nb em a n u f a c t u r e df o rm e c h a I l i c st e s t T h ew e l d e dj o i n tw a sd i v i d e di n t ot h ew e l d i n gs e 锄z o n e 、t h ed i s s o l u t i o nz o n e 、t h eo V e f a 百n gz o n ea n db a s em e t a lz o n e T 1 1 1 o u 曲m ed o u b l e - h 0 1 em i c r o s h e a u rt e s tt om e a s u r eT _ j o i n t d i s t r i c tw i d t ha n dl o c a lm e c h a n i c a lp r o p e n i e s ，p r o V i d e dm eb a s i sf o rm o d e l i n gm a t 砸a 1o f T _ j o i n t sf i l l i t ee l e l I l e n ts i m u l a t i o n F r o mm em i I l w a l lh 0 1 1 0 wT j o i mi n t e r c 印t e ds m a l l r - j o i n t ，t h es m a l l r - j o i n ta 1 1 db i a x i a l t e l l s i o nt e s ta n dc l 锄p i n gf i x t u r ew e r ed e s i g n e d U s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nt 0 d e t e 加i n et h es a I I l p l es i z ea 1 1 dc a b l es t a y e da n 9 1 e ，t h e nt h ew h o l et e s tw a sc o m p l e t e d T h e r e s u l t ss h o wm a tm em e t l l o dc a I lb eu s e dt oe v a l u a t em ef a i l m em o d ea n dd e f o m l a t i o no f s i n 哲e s i d eT j o i n tu n d e rd i f f 宅r e m1 0 a d i n gc o n d i t i o n s ，m e a n w h 订e ，t h ea c c u m c yo ft h es m a l l T _ o i n tm o d e lw a Sv 研f i e d T h e nT j o i n tw a su I l d i v i d e da n da s s i 弘e dt h eu 1 1 i f o n l lm a t 舐a l p r o p e n i e sb a s e do nt h ep r e c i s em o d e l ，a n dm ee q u i V a l e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e dm r o u g hm e c a l c u l a t i o nt os i l l l p l i f yT - j o i n tm a t 谢a l sm o d e l i n g T w ok i n d so fT j o i n t sw e r ew e l d e dw i t ht h i n w a l lr e c t a n 星l a rh o l l o ws e c t i o no f6 0 6 3 A 1 a l l o y ，a n dt h e i rr e s p o n s e so f1 0 a d 锄dd e f o m a t i o nw e r em e a s u r e di nm eb e n d i n ga 1 1 d c o m p r e s s i o nt e s t s ，a n dm e na n a l y z e dt h e i rl i m i ts t r e n 酵h B ya d o p t i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e l s ， l i m i ts t r e n g t ha n dd e f o m a t i o np r o c e s so ft h eT - j o i n t sw e r es t u d i e d T h er e s u l t ss h o wt h a t s t e p p e dT - j o i n ta tb e n d i n gl o a dh a dn op e a l ( p o i n to nt h er e s p o n s ec u r v eo f1 0 a d a n d T V 顸十学位论文 d e f o n n a t i o 玛b u t 丘1 1 1 w i d mT 一j o i n ta tb e n d i n ga 1 1 dc o I n p r e s s i o n1 0 a dg e I l e r a t e si n t e g r a l 姐e l d a I l dm e I lm a 】【i I I 妇e sl o a d T h el o a do fo v e r a l lj o i n t 姐e l dw 船u s e dt 0 d e s i 辨1 i m i t l o a d c a H l 叫n gc 印a c i t yo f - a 1 1 0 yT - j o i l l t si 1 1 廿1 i n - w a l l e dr e c t a n g u l a rh 0 1 1 0 ws e c t i o n A n dt h e s 0 R 嘶n g i nm ew e l d sa I l dH A Zh a dm u c hi n f l u e n c eo n l es t r e I l g t ho f t l l ei o i n t s K e yw o r d s ： s m a r j o i n t t h i n w a Uh o o wT 0 0 i n t ， b i a x i a It e n s i o n ， l o a d c a r r y i n g c a p a c i 劬f m i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ， 6 0 6 3A 1 a U o y 一 V 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 狂够隰艚卵日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以：睁本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 弓伏铭 悼 方_ 乙 日期：铀略年手月7 日 日期：2 别增年岁月，日 硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 铝合金在汽车工业中的应用现状及发展趋势 在汽车车身轻量化进程中，铝合金的应用越来越多，减轻车重作为降低燃油消耗与 废气排量的有效措施，其潜力正逐渐被挖掘出来。由于铝及铝合金采用大量新的生产工 艺和改进技术，以及其价格稳定等优点，致使众多汽车制造商大幅度增加铝材的使用。 美国通用公司I M P A C T 轿车车身是铝材制造的，整个车身零件仅1 6 8 种，冲压件4 0 ， 车身2 0 0 0 个焊点，1 2 0 个铆接点，质量仅为1 3 4 k 。1 9 9 5 年德国奥迪公司首先开始批量 生产铝制车身，推动了车身用铝的发展。铝合金取代钢材会同时改进燃油经济性、汽车 性能和安全性。铝质材料能在维持汽车的尺寸和车主安全性的同时有效地减轻汽车重 量。奥迪A 8 是大量使用铝合金材料典型的成功范例，并已经通过美国国家公路交通 安全管理局的N C A P 碰撞测试，并得到了美国国家公路交通安全管理局有关安全性的最 高评价2 J 。 图1 1 铝合金框架式结构汽车图 中国目前组装轿车最高用铝量约为5 5 k g 辆，交通运输业用铝量占铝产业的5 7 ， 而发达国家分别为1 3 5 k g 辆和2 6 口1 。由此可见，我国汽车用铝与国际先进水平相比差 距很大，有非常广阔的发展空间。近年来推出的铝车身结构，大多采用无骨框架结构和 空间框架结构，如图1 1 所示。从设计的自由度、成本、轻量化、安全性等方面考虑，制 造小批量多品种的汽车时，以铝挤压型材为主的空间框架结构大有发展前途。 铝合金用于汽车结构的特点如下：铝合金有高的强度质量比，其比强度约为钢的 1 3 倍；而且具有良好的塑性，很容易冲压成各种复杂的零件。铝的密度小，可实现车 体的轻量化，有利于提高汽车行驶稳定性。铝的弹性模量小，可较好的吸收冲击能量， 在发生事故时有利于保证乘客安全。铝合金的熔点低，废料回炉重熔所需能量少，所以 6 0 6 3 铝合金薄壁管T 型接头变形及有限元仿真 铝合金材料是可最大限度地回收利用的材料。由以上分析可以看出，铝合金所具有的这 些特性符合汽车结构的使用适用条件，因此铝型材组焊成的全铝化框架式整体车身将是 新的发展方向H 1 。 1 1 2 铝合金薄壁管T 型接头研究的意义 汽车车身的铝合金空间框架结构( A S F ) 中，T 型管接头是主要的连接形式， 这种结构主要由铝合金挤压管型材通过焊接而成，而且壁厚远小于其结构尺寸哺1 。 薄壁管T 型接头对结构的刚度、承载能力、耐撞性能等方面起关键作用。因为接 头的破坏往往导致与之相连的若干杆件的失效，从而使整个结构破坏。车身中的T 型管接头是由主管和支管交汇而成的三维空间薄壁结构，应力分布十分复杂。同 时焊接接头又具有力学性能不均匀性。认识铝合金管T 型管接头的强度及变形机 制，对铝合金薄壁管焊接结构的设计及合理使用有重要的意义。 1 1 3 铝合金焊接接头局部力学性能测量的意义 量 号 e 垦 色l 暇 图1 25 A 0 2 铝合金对接接头硬度分布 焊接接头不同区域的材料性能差异很大，例如T I G 焊焊接的铝合金接头存在 明显的软化区。如图1 2 所示，5 A 0 2 铝合金对接接头的在热影响区内的硬度呈梯 度变化。这是因为时效硬化铝合金经历热过程后，其性能的变化取决于基体中溶 质元素的含量，沉淀相的尺寸及分布密度。经过T 6 人工时效后的A l M g S i 铝合 金，基体中分布着高密度的针状D 相，使合金获得较高的强度。但p 一相是一种 热力学不稳定的强化相，在焊接热循环的作用下会发生分解或聚集长大，当温度 超过2 5 0 时尺寸较小的B 一相，就开始分解，尺寸较大的B 一相容易发生长大，成 为尺寸更大的棒状D 、相阳3 。文献 7 研究表明，在熔合线到峰值温度为4 8 0 的H A Z 区域内，D 相已全部恢复，变成了完全固溶区；在2 5 0 到4 8 0 的区域，D 相 己转变为棒状B 、相。在这个过程中，如果富集有p 一相分解产生的溶质元素，棒状 D 相将长的更大更快，成为通常所说的过时效。传统的力学性能表征方法无法精 2 硕十学位论文 确的描述接头力学性能的不均匀性的影响，而只是人为的将接头分为母材，焊缝 两种材质。这在汽车结构的撞击破坏的有限元仿真中不能满足要求，因此接头局 部力学性能的测量对有限元建模很必要。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 铝合金焊接工艺研究 近年来，国内外研究人员对车用铝合金的焊接工艺和接头力学性能十分关注。国外 T M a 等人对7 0 2 0 和7 0 2 2 铝合金对焊接接头的热影响区的组织、强化相和接头软化行 为进行了研究呻1 。I G S o l o r z a l l o 等人对2 0 9 1 A 1 L i 合金的对接接头热处理前后组织、强化 相和疲劳强度进行了较详细的研究阳1 。P i l l h o d a C m z 等人对A 1 M g S i 薄板焊接接头在静 载荷和交变载荷下的疲劳强度作了研究n0 J 。国内一些学者对列车用铝合金焊接性和接头 性能也做了一些研究u 卜1 4 1 ： 姜澜等采用进口5 3 5 6 焊丝和6 0 0 5 A 铝合金进行熔化极惰性气体保护焊。对焊接接 头的力学性能和显微组织进行了研究，结果表明，6 0 0 5 A 铝合金焊接接头的力学性能低 于基体的性能，热影响区内的软化区是焊接接头的最薄弱环节，强化相粒子发生过时效 而粗化是形成软化区的根本原因。尹志民等对6 0 0 5 A 铝合金型材焊接接头组织与性能进 行了研究，通过对国产6 0 0 5 A 焊接接头试验后，发现接头焊缝两侧离焊缝中心约1 0 1 5 m m 的部位存在一对对称分布的软化区，其原因是由于焊接热循环的影响使该部位发 生了过时效，对进口的6 0 0 5 A 大型多孔铝型材焊接接头进行分析，发现焊接接头上软化 区硬度降低的程度明显较小，这是由于实际的多孔型材在该部设置有加强筋有显著的散 热作用，降低了该部位的温升和高温受热时间。 王元良、屈金山等对车辆用6 0 6 1 、6 0 0 5 、6 0 6 3 和9 1 9 ( 相当于7 0 0 5 ) 铝合金焊接 性及接头性能进行了探讨：发现6 0 0 0 系列铝合金综合力学性能好，耐蚀性强，并能作大 型多孔中空型材，为高速列车首选铝材，最后选用6 0 0 5 ，建议配用5 3 5 6 焊丝；7 0 0 0 系列 铝合金有高的强度和自然时效能力但韧性、抗裂性低，应谨慎选用。目前用国产9 1 9 试 用于牵引梁，建议配用5 3 5 6 焊丝，并严格控制工艺( 宜用小规范多层焊) 和质量。 王孟君等分析了6 0 6 3 铝合金人工时效后的组织结构变化，研究了不同的时效温度和 时效时间对6 0 6 3 铝合金力学性能的影响。结果表明，采用1 7 0 时效1 5 h 后，再2 0 0 时效3 h 的双级时效工艺是获得薄壁型材高硬度的较理想方法，时效后硬度可达7 5H V 以上。 以上研究主要集中在铝合金的焊接性及列车上常用的较厚板且长直焊缝的焊接工 艺，对汽车上常用的薄板以及薄壁管T 型接头短焊缝的焊接工艺没有深入研究。T 型管 接头的焊缝多为短焊缝，起弧、收弧以及焊缝衔接处极易产生缺陷，因此有必要对其焊 接工艺进行优化。6 0 0 0 系铝合金焊接接头的软化程度对整个接头力学性能的影响研究较 6 0 6 3 铝合金薄擘管T 型接头变形及有限元仿真 少。由于接头局部的组织及性能会受焊接热循环的峰值温度和加热时间影响，使得接头 不同部位的化学成分和组织结构与母材不同，致使焊缝及热影响区力学性能发生变化， 这种变化与焊接工艺参数的选择有很大关系。同时T 型接头的整体强度还受到接头的结 构形式和加载方式的影响，因此有必要对薄壁管T 型接头的变形和强度特性进行深入研 究，为T 型接头的焊接工艺参数的选择提供依据。 1 2 2 材料力学性能表征 1 2 2 1 微剪切试验 对于焊接接头的不均匀性国内外进行了大量的研究，一般都是从小试样的角度进行 考虑。近年来从剪切的角度预测材料的强度的研究很多，史耀武通过微剪切实验对焊管 接头的力学性能进行了评价。它采用逐点剪切的方法，获取一系列的材料剪切性能参数， 对实验过程中试样的变形和断裂进行了研究，并提出了微剪切韧性的概念n5 | 。该方法定 义了微剪强度“，微剪切屈服强度f ，以及微剪切塑性0 【进行了明确的定义，并且定 义了微剪韧性W 。，具体公式如下： 死：生f ，：旦口：1 一旦聪：rP 棚( 1 1 )死= f v = 口= l 一慨= I，IJI d J L 1 1J 扇凡6 山 、7 式中厶甜为最大的剪切力，A o 是试样的初始横截面积，P v 为剪切屈服力，6 为试样的原 始宽度，S 为剪切位移，其中函为断裂点的剪切位移。同时该实验研究还把焊接结构钢 的剪切的特征值和拉伸特征值的对应关系式，即： c r 6 = 2 1 8 一3 0 8 4 3 乃= 1 8 3 乃一1 3 6 2 ( 1 2 ) 微剪切实验对于特定的均质材料的力学性能的表征是准确的，可以客观反应材料的 塑性与韧性，但是剪切实验试样精度要求比较高，而且该方法没有从剪切实验得到 材料的拉伸性能。因此材料局部力学性能测试方法的研究对焊接接头的性能表征 有重要的意义，为焊接结构件的模拟提供了重要材料性能数据。 1 2 2 2 小试样与有限元法结合的方法测定材料局部力学性能 针对材料局部力学性能印度人A s i f H u s a i n 提出了小试样与有限元模拟相结合 的方法测定材料力学性能。如图1 3 所示，该实验采用刚性的半球形冲头对测试材 料进行穿刺加载，得到载荷位移曲线6 | 。图1 4 为穿孔加载实验模型。然后采用有 限元模拟对材料力学性能进一步拟合，首先对材料的弹性模量进行验证，通过系 列实验得到材料的一个近似的弹性模量，输入有限元计算，得到模拟的载荷位移 曲线；通过与实验曲线作比较，对输入的弹性模量调整，做第二次计算，得到载 荷位移曲线，重复上面的比较。直到调整到模拟的载荷位移曲线和实验的弹性部 分重合，可以认为最后一次输入的弹性模量为所测材料的弹性模量，同样在不同 4 硕士学位论文 应力条件下的塑性应变也是采用上述方法进行拟合，最终得到材料的塑性流变特 性。当最后一次输入有限元软件A B A Q U S 计算得出的模拟结果与实验曲线重合时， 认为输入的真应力一真塑性应变曲线为材料的拉伸力学性能曲线，其计算模型如 图1 5 所示。该方法克服了以往的各种力学形能测试方法的缺陷，可以适用试样较 小的材料力学性能的研究，但是也存在一定的缺陷，主要表现在：( 1 ) 没有考虑材 料不均匀性和材料的各向异性，不均匀性材料在实验过程中会在材料的薄弱环节 断裂；( 2 ) 采用有限元模拟的方法对材料做模拟时，在塑性阶段既要考虑应力的影 响又必须考虑应变的影响，因此在塑性阶段每个点的拟合工作量大。( 3 ) 完全采用 有限元模拟得出的材料的性能，对于测试材料拉伸性能计算量过大，对于研究的 成本和价值有一定的影响。 土删三 图1 3 穿刺的实验装置示意图图1 4 实验对应的有限元模拟模型 1 2 3 焊接接头的整体力学性能评价 1 2 3 1 对接及角接焊接接头 目前，对接接头的各项力学性能评价及实验方法已基本完善并已形成标准。朱亮等 研究了材料力学性能不均匀对对接接头的屈服强度和抗拉强度的影响机制，主要通过有 限元法和接头的拉伸性能试验，从四个方面对这一问题进行了系统研究7 | ：第一，对力 学性能失配焊接接头的拉伸试样进行有限元分析，结果表明，软化的热影响区的屈服应 力和长度对接头强度有较大的影响，且超过某一临界值时会更加明显，高匹配焊缝可以 使接头的强度损失得以补偿。试样的宽度对失配接头屈服强度有直接的依赖性。接头的 强度随试样宽度的增加而增加，当试样宽度达到一定值时趋于恒定。同时，通过低匹配 焊接接头的拉伸试验，验证了有限元法计算接头强度的精确度。进而给出了一套有限元 法评定实际接头强度的方法。第二，利用有限元计算的结果，研究了力学性能失配焊接 接头拉伸试样上M i s e s 等效应力分布特征：在软化的热影响区减小，在与之相邻的焊缝 区和母材区相应升高，分布规律符合指数函数规律。在热影响区与焊缝及母材的交界面 上发生突变，突变的幅度与交界面两侧材料的屈服应力差值及外加载荷有一定相关性。 在焊缝及母材区M i s e s 等效应力增加量的积分等于热影响区减少量的积分。在此基础上 用方程描述出，外载荷应力、热影响区及焊缝的强度失配参数、热影响区及焊缝的相对 与 6 0 6 3 铝合金薄肇管T 型接头变形及有限元仿真 长度、试样长度和宽度几何参量，与接头试样上的M i s e s 等效应力分布的关系。另外， 从接头上应力分布的角度，分析接头失配对接头强度的影响机制。第三，基于力学性能 不均匀焊接接头拉伸试样的应力分布规律，提出计算力学性能失配焊接接头强度解析求 解计算方法：根据焊接接头的失配参数和试样的几何尺寸确定出接头上等效应力分布， 利用等效应力和应变的关系，积分求解整个试样在给定外载荷下总的变形量，得到名义 应力应变曲线，从而确定出失配接头强度。这种解析法计算的强度与有限元分析结果有 很好的一致性。而且，用管线钢的等强匹配和高匹配焊接接头的拉伸试验，对解析法评 定力学性能不均匀的焊接接头强度的准确性进行了验证。第四，利用评定失配接头强度 的解析计算方法，计算归纳出了接头强度与试样宽度的指数函数关系，并用1 2 种焊接 接头，在5 种不同试样宽度下的抗拉强度和屈服强度试验结果，对其精确性进行了验证。 利用这种关系，可以通过测定某一试样宽度的拉伸试样强度值，同时测得热影响区最低 的相对失配系数和焊缝的失配系数，无需测量不容易确定的热影响区和焊缝的长度，就 可计算出无限板宽乃至任意宽度试样的强度。这样，为工程上客观地评定失配焊接接头 的强度提供了切实可行的途径。 在实际的焊接结构中，角焊缝也是主要的连接方式之一。在某些特殊情况下，由于 技术原因或空间狭小，焊接时只能采用单面角焊缝连接，如许多管接头结构的焊接。本 文欲研究的铝合金薄壁T 型管接头也是采用单面角焊缝连接，此角焊缝接头也存在上述 对接接头类似的材料力学性能不均匀情况。角焊缝T 型接头的焊缝结构及受力方式比较 复杂，对角焊缝接头的强度试验和影响其强度的机制尚无资料报道。目前关于角焊缝T 型接头的力学性能的公式主要是国际焊接学会( 1 1 w ) 提出的角焊缝折合应力的一般公 式：o 折= B o 上2 + 3 ( T 上2 + T 2 ) 0 5 ，o 上一在破断面上与焊缝相垂直的正应力，l 【上一在 破断面上与焊缝相垂直的切应力，T 一在破断面上与焊缝相平行的切应力n 引。此计算公 式要求焊缝的折合应力应小于焊缝材料的许用应力，然而，由于焊接接头的不均匀性， 接头焊缝的强度还受到其周围材料性能的影响。由于角焊缝T 型接头结构及受力方式较 复杂，用于评价角焊缝T 型接头力学性能的实验方法还很不完善，特别是薄板T 型接头。 目前，角焊缝T 型接头普遍承受的以拉力载荷为主的强度实验方法也还没有统一的标 准，另外角焊缝接头的材料不均匀性对接头强度及变形的影响也研究甚少。因此，很有 必要建立一种可行的试验方案来评价接头整体的强度，并将实验方法用于研究该类接头 的材料不均匀性对接头强度变形等力学性能的影响。 1 2 3 2T 型管焊接接头 图1 5 所示的T 型管接头是焊接结构中的一种常见的接头形式。随着夕( 支管与主 管宽度比) 的变化，T 型管接头可发生主管侧壁屈曲、主管表面冲剪破坏、与支管相连处 的主管表面发生过大的变形、焊缝或支管拉断等多种破坏模式。直接焊接方管结构由于 其优越的结构性能和优美的建筑造型在国外建筑结构和桥梁结构中得到广泛的使用， 6 硕十学位论文 近年来也引起了我国工程界的关注。 卜塾! 一 二爿兰扯兰! 主管 1 。 一 t 图1 5T 型矩形管接头示意图 在新修订的钢结构设计规范中，把管接头的设计纳进了管结构这一部分。例如： 决定不等宽T 型管接头( 夕0 8 5 ) ，支管承受弯矩载荷时的破坏模式是与支管相连处的 主管表面发生过大的变形；针对该承载方式，各种规范( 如I 州，欧洲推荐，A W S ) 和设 计指南( C I D E C T ) 均采用塑性铰线模型推导出的公式( 1 3 ) 来计算它的承载力n 引。 一枷南+ 南， 3 ， 其中刀= 力。6 b ，= 眈岛，仉为主管屈服强度 国外许多学者如：M o u 母，l r ae ta 1 ，K - o r o la n dM 砬a ，Z h a 0a n dH a n c o c k ，对薄壁 空间框架结构作了研究，其中大多采用变形极限来确定其极限强度乜p “1 ，然而这些变形 极限仅适用于某些具体情况。这种方法是由L ue ta l 提出一种采用节点表面局部凹陷变形 来确定变形极限的方法普遍适用于各种管接头。Z h a ox i a o “n g 对冷变形矩形管截面受 轴压载荷的变形极限和极限强度进行了研究，并提出了修正公式口副，他还研究了圆截面 支管与方管焊接节点承受平面弯矩载荷的变形极限和极限强度，并采用屈服线理论推导 出了该类接点的承载能力计算公式心6 l 。 近年来国内也有学者研究了薄壁管接头的极限变形和极限强度，武振宇等对T 型管 接头承载能力作了较细致的研究乜7 勰1 ，主要有：采用非线性有限元软件对弯矩作用下的 等宽T 型直接焊接管接头进行了分析，研究了几何参数变化对节点承载力的影响，并对 国外提出计算公式进行了修正，提出了考虑主管轴力影响的修正系数。由于直接焊接管 接头是复杂的三维空间薄壁结构，对其理论分析必须考虑几何非线性和材料非线性的 影响。采用能处理几何非线性和材料非线性影响的有限元方法，研究了几何参数变化对 弯矩作用下不等宽T 型管接头性能的影响，给出了在弯矩、轴力作用下节点的承载力公 式。通过对压弯组合作用下节点承载力的研究，给出了在压弯组合作用下节点的设计公 式。采用非线性有限元分析的方法和试验数据，对等宽T 型管接头的试验方案、几何参 数对其性能的影响进行了研究，在参数分析的基础上，采用回归的方法得出T 型管接头计 算公式，公式计算结果与试验结果吻合良好。 以上这些研究都是基于钢制的薄壁空间框架结构，而对于铝合金的类似结构的节点 7 6 0 6 3 铝合金薄肇管T 型接头变形及有限元仿真 极限强度研究尚未涉及，以上研究也没有考虑焊接接头软化对其承载能力的影响。由于 汽车工业及建筑业中目前也广泛使用此类铝合金材料的薄壁空间框架结构，变形铝合金 的弹性模量约是钢材的三分之一，而且6 0 0 0 系变形铝合金的焊接接头热影响区较宽且 软化较严重，评价其极限强度和设计过程中不容忽视，因此研究铝合金薄壁空间框架结 构中的T 型管接头极限强度及其评定方法十分必要，以便为铝合金薄壁T 型管结构设计 提供依据。 1 2 4 计算机仿真的应用 汽车整体的框架结构在动载下的变形试验难度较大且花费惊人。因而利用计算机模 拟技术进行空间框架结构的变形、吸能和失效模式的研究有其独特的优势，可以缩短开 发周期、降低开发费用。目前国内外利用有限元的商业软件( 如：L S D Y N A 、 A N S Y S L S D Y N A 、P A M C R A S H 、A B A Q U S ) 已经开展了大量的工作。中国铁道科学研 究院的刘金朝、王成国等利用有限元A B A Q U S 分析了钢和铝合金薄壁圆柱在轴向力作 用下的动力学响应乜9 。在相同条件下，通过比较两者的数值结果验证了参数J 下确性和可 靠性。并讨论了不同碰撞速度，不同质量比，不同边界条件对平均作用力，塑性铰的形 状和个数的影响。数值分析表明，随着碰撞速度的提高，平均作用力会相应增大，撞击 薄壁结构的刚性质量块和薄壁结构的质量比对平均作用力没有影响。薄壁结构吸收的能 量和薄壁结构本身的几何特性和材料特性将决定变形后塑性铰的个数。法国的E b e r h 莉 H a u g 和德国的A n t h o n yKP i c k 瞰等对汽车碰撞仿真与设计的最新进展和发展趋势进行 了研究口引，介绍了汽车碰撞仿真与设计的最新进展和发展趋势，其中包括作为模拟手段 的计算程序的最新进展，新的缓冲材料的应用和模拟，大规模并行程序的编制和性能增 加，侧撞障碍物模拟，乘客模型，生物人体部件模型，碰撞仿真技术扩展应用到设备跌 落试验和火星着陆舱的缓冲等。中国汽车技术研究中心的朱西产和武汉汽车工业大学的 钟荣华研究了薄壁直梁件碰撞性能计算机仿真，分析了网格密度、车身低碳钢材料塑性 特性随应变率的变化及焊点力学特性因素对仿真结果的影响口。并指出从网格的选取思 路来看，应当是变形越大的部位，网格越细；变形越小的部位，网格越粗；几乎不变形 的部位可以用刚体来代替，以减少计算时间。 1 3 课题的提出 1 3 1 问题的提出与意义 在汽车轻量化研究中，轻金属的应用日益广泛，铝及铝合金因其一系列的优良特性 而成为汽车轻量化最理想的选择，因而全铝合金化汽车成为了专业性的研究课题。自从 二十世纪八十年代以来，全球众多汽车制造商都致力于全铝合金化汽车车身的设计与研 硕+ 学位论文 究，并取得了显著的进展；这个研究课题同时也得到了各国政府的重视。我国曾将汽车 车身铝合金材料的开发作为“十一五规划”攻关建议。现又将铝合金框架式结构汽车的 设计与研究列为重大基础研究项目，本文课题即来源于此。 1 3 2 本文的主要研究内容 焊接工艺 铝合金车身框架 铝合金薄壁管T 型接头 截取出单面角焊 缝的小T 型接头 1 - 薄壁管接头的承载试验 2 局部力学性能测试 3 有限元仿真 1 - 小T 型接头双向拉伸试验l生生 2 局部力学性能测试 II 管接头有l险接头变形 3 有限元仿真 Il 限元模型lI 及强度特征 单面角焊缝变 形及强度特征 小T 型接头 有限元模型 建立出简化管 接头材料建模 的等效模型 应用到整车碰 撞模型的简化 图1 6 技术路线 本文优化了薄壁管T 型和薄板T 型接头焊接工艺。2 类接头由单面角焊缝组成，焊 接该类接头时容易出现焊穿、塌陷、起弧和收弧处易出现未熔透、收弧处易出现弧坑裂 纹以及焊后易变形等缺陷。因此通过加铜垫板、铜衬管、引弧板、焊前预热、船形装卡 等工艺方法来减少上述缺陷，同时得到了用于力学试验的良好T 型接头。 6 0 6 3 铝合金焊接接头可分为，焊缝区、完全固溶区、软化区、母材区。由于各区组 织强化相的差异，产生了接头局部力学性能不均匀性。因此用双孔微剪切的方法测量并 计算出了2 种T 型焊接接头的局部力学性能。为T 型接头力学试验的有限元仿真提供了 材料建模的依据。 铝合金薄壁管T 型接头是由单面角焊缝组成的结构件。为了深入研究该类结构的承 载能力及变形特性，从薄壁管T 型接头中取出单面角焊缝的小T 型接头，设计出小T 型接头双向拉伸试验及夹具。应用A B A Q U S 有限元分析软件，确定出试样的尺寸和斜拉 角度，并进行了试验。试验结果表明，该方法可以用来评价单面角焊缝在不同加载条件 下的失效方式及变形特性，同时也验证了小T 型接头模型的准确性。在该模型基础上， 对接头的材料模型不进行分区并赋统一的材料性能，经过有限元计算得到了简化薄壁管 T 型接头材料建模的等效模型。 9 6 0 6 3 铝合金薄壁管T 型接头变形及有限元仿真 参考钢制薄壁T 型接头极限强度的研究思路，采用支管与主管等宽和不等宽2 种类 型的铝合金薄壁管T 型接头，试验研究弯矩与压缩载荷下接头极限强度。根据试验结果， 建立出准确的薄壁管T 型接头承载试验的有限元模型，并分析管接头极限强度和变形行 为。应用小T 接头得出的等效模型，对管接头有限元模型中的材料模型及接头局部网格 划分进行简化并进行仿真，通过与试验结果进行对比来检验其是否可以应到整车碰撞仿 真的模型简化。 l O 硕士学位论文 2 1 序言 第2 章铝合金T 型接头焊接 本章主要探讨了铝合金T 型接头的焊接工艺，并为研究小T 型接头和薄壁管T 型 接头的强度与变形特征提供合格的接头试样。由于铝与氧的亲和能力强，在空气中易生 成A 1 2 0 3 薄膜，并且薄膜易吸附水分，焊接时会产生氢气孔。同时铝的线膨胀系数大， 易产生焊接变形。在高温时铝的强度和塑性很低，很难支持熔化状态的焊接熔池而使焊 缝成型不良，甚至形成塌陷、烧穿等缺陷，并且所焊的薄板与薄壁管T 型接头的板厚与 壁厚仅为2 m m ，更易发生这些缺陷。T 型管接头是由4 道短焊缝组成，焊接时起弧与收 弧处易产生熔合不良和弧坑。为了解决以上焊接工艺问题，本章采用了焊前清理，船形 焊接，工件装卡在自制的X 型支架上，同时加铜垫板、铜衬管和引弧板等措施，对T 型接头的焊缝成型取得了良好的效果。 2 2 焊接材料 2 2 1 母材 6 0 0 0 系铝合金广泛用于建筑和汽车车身框架的承载结构口引。该系铝合金在焊接过程 中有相对较大的过时效趋势，其直接原因是温度引起强化相M S i 发生了改变朝。该系 中6 0 6 3 铝合金具有中等强度、耐蚀性高、无应力腐蚀破裂倾向、焊接性能良好及焊接 区耐蚀性能不变等优点，而且这种铝合金淬火范围宽，对淬火温度敏感性低，薄壁件可 以实现风淬。 本试验中的薄板T 型接头和薄壁管T 型接头的母材均选择6 0 6 3 铝合金，供货状态为 T 5 ( 由高温成型过程冷却，然后进行人工时效的状态) ；因为该状态的6 0 6 3 铝合金适用 于高温成型冷却后，不经过冷加工( 可进行娇直娇平但不影响力学性能极限) ，予以人 工时效的产品1 ，化学成分见表2 1 。铝合金薄壁方管的壁厚为2m m ，铝合金薄板则是 由薄壁方管经过裁剪得到，这样就保证了薄板T 型接头和薄壁管T 型接头所选材料的一 致性。 表2 1 母材6 0 6 3 成分( ) 铝合金中合金元素起了很重要的作用，M g 对铝合金可以起到硬化作用，同时细化 l l 6 0 6 3 铝合金薄擘管T 型接头变形及有限元仿真 晶粒，能够提高铝合金的强度；但M g 过多时，会出现脆性的电极电位低的相 ( M 9 2 A 1 3 ) ，既降低塑性，又不利于耐蚀性( 尤其是应力腐蚀) ，所以M g 含量一般不超过 7 。其他元素主要包括C u 、F e 、Z n 等元素，这些元素的作用主要是细化晶粒、改善 铝合金的机械性能、加工切削性能、铸造性能以及疲劳强度等，但对铝合金耐蚀性和工 艺性都有不良影响，其加入量根据其使用性能决定口5 | 。 2 2 2 焊丝 焊丝直接影响着焊缝的金属成分、组织、液相线温度、固相线温度和近缝区母材的 抗热裂性、耐腐蚀性，甚至是接头高温、常温、低温下的力学性能3 。焊接试验选用 E R 4 0 4 3 焊丝，直径为西2 Om m ，化学成分见表2 2 。 表2 2 焊丝E R 4 0 4 3 化学成分( ) 2 3 焊接方法及设备 铝合金的导热系数、比热容都很大，是钢的1 倍多，在焊接过程中大量的热能被迅 速传导到机体金属的内部，为了获得高质量的焊接接头，必须采用能量集中、功率大的 热源口6 | 。T I G 焊的能量较集中，热影响区小；电弧在燃烧过程中，电极不熔化，故弧长 稳定。焊接时焊缝金属靠惰性气体保护母材、钨极和焊丝不与空气接触，因此被焊母材 和焊丝中的合金元素不易烧损。本焊接试验使用的是改装过的半自动