2024-T351铝合金搅拌摩擦搭接焊接头疲劳性能与寿命预测

通过实验观察2024-T351铝合金搅拌摩擦搭接焊接头焊缝附近区域的焊缝横截面形貌及金相组织。观察表明搅拌摩擦搭接焊接头前进侧与后退侧存在形状不对称的钩状缺陷。将搅拌摩擦搭接焊接头在MTS材料实验机上进行恒幅疲劳加载,得到名义应力幅S-N曲线。根据实验结果建立搭接接头的弹塑性有限元模型,利用SWT疲劳损伤公式和应力集中区域循环应力应变有限元分析结果数据,预测搭接接头疲劳寿命,并将寿命预测结果与实验结果进行对比。结果表明:在低周疲劳寿命范围内,采用SWT疲劳损伤公式对搅拌摩擦搭接焊接头的预测结果与实验结果接近,误差均在2个因子内,但对高周疲劳寿命的预测结果存在较大误差。分析表明,搭接接头的应力集中程度比有效厚度对疲劳寿命的影响更大。     

基于场强法的燃烧室机匣后衬套安装座疲劳寿命预测

由于局部应力应变法存在缺陷而引入场强法,对缺口构件的疲劳寿命预测问题进行研究。给出了应力场强法估算缺口构件疲劳寿命的基本框架和分析计算步骤,通过算例对场强法重要参数场径的影响因素、应力集中系数和权函数进行了探讨,并对场强计算中的有限元网格细化问题进行了初步探讨。采用场强法和局部应力应变法对某型发动机燃烧室机匣后衬套安装座进行了疲劳寿命预测。结果表明：利用场强法预测出的寿命更接近试验结果。     

气孔缺陷对TA15 钛合金氩弧焊接头疲劳性能的影响

对TA15钛合金氩弧焊接接头的组织和疲劳断裂特征进行了分析,对气孔缺陷和疲劳寿命的关系进行了定量表征.结果表明:疲劳裂纹起源于焊缝的亚表面或者内部气孔缺陷,当气孔尺寸较小时,断口会出现“鱼眼”形貌特征;应力水平较低时,气孔尺寸对疲劳寿命的影响尤为显著,在特定的应力水平下,可以通过构件中的气孔缺陷尺寸来预测其寿命,对于焊接结构疲劳寿命的预测和构件焊接质量的评定具有重要的工程意义.     

激光冲击强化7075铝合金熔焊接头的疲劳性能

激光冲击强化（LSP）技术具有残余压应力场深、冷作硬化程度低和强化区域可控等优点,在焊接结构表面改性方面应用前景广阔。对2 mm厚度的7075-T6铝合金激光-电弧复合焊接接头实施了激光冲击强化处理,对比分析了强化前后接头的硬度、残余应力、疲劳寿命以及疲劳裂纹形核机制。结果表明,焊缝中心的最高硬度由强化前的152 HV提高到强化后的175 HV,有效强化层深度约为100 μm;经激光冲击强化后,焊缝区呈现残余压缩应力,最大残余压应力为-200 MPa;9组焊接接头试样的平均疲劳寿命为675 937周,约为强化前疲劳寿命（262 297周）的2.6倍;疲劳裂纹萌生位置从具有高度应力集中的表面缺陷转移至强化层以下的亚表面,进而有效地提高了疲劳裂纹的形核寿命。     

钛合金焊接件疲劳寿命估算

基于有限单元法理论，采用ANSYS有限元分析软件，对航空发动机中常用钛合金焊接试件进行应力应变分析，得到了焊接接头的等效应力场和应变场，并确定出试件等效应力集中系数Kf，运用局部应力-应变法对光滑焊接试件估算疲劳寿命，并采用成组试验法对计算结果进行验证和分析。     

应力比对不锈钢焊接接头疲劳寿命的影响研究

针对0Cr18Ni9不锈钢薄板焊接接头，开展了高周疲劳性能测试，研究了应力比对其疲劳极限和疲劳寿命S-N曲线的影响。结果表明应力比对疲劳寿命有较大的影响，在最大应力一定的情况下，应力比越大其疲劳寿命越大。基于试验结果，得到了反映应力比影响的0Cr18Ni9不锈钢薄板焊接接头Goodman修正和Walker修正的高周疲劳寿命预测模型。模型的预估寿命和试验数据对比表明，Walker修正模型对疲劳寿命的预测结果全部处于1.0倍分散带以内，其更能反映应力比对0Cr18Ni9不锈钢薄板焊接接头疲劳寿命的影响。     

基于局部应力应变场强法的薄壁缺口结构随机声疲劳寿命估算

航空发动机火焰筒结构在随机声激励下的寿命估算属于典型的多轴疲劳问题。对航空薄壁结构随机声疲劳寿命估算的峰值概率密度法和功率谱密度法进行了探讨。在应力场强法的基础上,深入研究了一种用于薄壁缺口结构随机疲劳寿命估算的有效方法——局部应力应变场强法,该方法能同时考虑缺口局部应力梯度和应变梯度对疲劳损伤的影响。以薄壁缺口结构作为研究对象,结合声疲劳问题分析的一般方法,对局部应力应变场强法在声疲劳寿命估算中的运用进行了研究。     

随机载荷作用下机翼副油箱挂架的疲劳寿命分析及优化

对机翼13肋过渡梁及副油箱挂架进行了总体有限元分析,得到了后接头吊挂区为疲劳危险区域。在细节应力分析时,建立了轴承连接,得到了吊挂轴承开孔区的细节应力分布。以此静力结果为基础,编制随机疲劳载荷谱,使用FE-safe疲劳分析程序得到轴承开孔区的裂纹形成寿命,该寿命不满足飞机6000次起落的寿命目标。通过对后接头的耳片加宽至52mm,或者加厚至12mm时,可满足飞机的寿命目标。     

TC4 钛合金扩散焊接头剪切疲劳性能研究

为了研究钛合金扩散焊接头在航空航天领域焊接性能的稳定性，制备了双搭接形式的接头试样，在温度为 910 ℃、压力为 3.4 MPa 条件下对 TC4 钛合金板材进行扩散连接，并对双搭接接头试样开展静强度试验，获得试样在焊缝界面处的平均剪切强度约为 199.4 MPa，试样断裂前后接头没有发生明显的塑性变形。此外，对双搭接接头试样还开展了不同载荷水平下的疲劳性能试验。结果表明：疲劳试样存在3种不同破坏模式。在高载荷水平下，试样会在切应力主导下发生基板与搭接板的完全脱焊；在低载荷水平下，试样会在正应力主导下发生基板沿厚度方向的断裂；在中等载荷水平下，试样先发生局部脱焊随后沿基板厚度方向断裂。 在上述失效模式分析的基础上，结合疲劳寿命试验数据分别得到接头的正应力 - 寿命和切应力 - 寿命曲线。     

民用航空发动机TA19电子束焊疲劳试验

针对民用航空发动机钛合金整体叶盘常用材料TA19开展其母材试件与电子束焊焊接试件在20,300,450℃的疲劳试验,通过焊接试件的焊缝材料断口与母材断口形貌的比较探讨了焊缝材料的疲劳破坏机理,并在104~106循环的疲劳寿命区间内采用Basquin模型分别建立了焊缝材料和母材的应力-疲劳寿命(S-N)曲线,结果显示母材试件与焊接试件的试验疲劳寿命大部分都落在了对应模型计算疲劳寿命的2倍线之内,表明试验得到的S-N曲线是合理的.焊接试件与母材试件的S-N曲线的对比分析表明,20℃时焊接试件的疲劳性能比母材试件略高,而在300℃和450℃时焊接试件与母材试件的疲劳性能差异随应力水平发生变化.但总地说来,在所关注疲劳寿命区间内,母材试件与焊接试件的计算疲劳寿命差异也在2倍线以内,初步表明两者的疲劳性能相当.      

TC4钛合金薄板高能束焊接接头疲劳性能研究

对TC4钛合金薄板激光焊和电子束焊接头的疲劳性能进行了试验研究,测试了不同应力水平下的疲劳寿命。采用统计分析的方法研究了TC4钛合金薄板母材及其高能束流焊接接头的中值疲劳寿命。分析了焊接工艺条件对接头疲劳强度的影响。结果表明,在高应力水平时,TC4钛合金高能束流焊接接头的疲劳寿命低于母材的疲劳寿命,在低应力水平时,TC4钛合金高能束流焊接接头的疲劳寿命高于母材的疲劳寿命。     

TC4-DT焊接接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展实验及模拟研究

拉剪复合载荷作用下,构件中的裂纹呈现复杂的Ⅰ-Ⅱ复合型扩展模式,研究其扩展规律对准确评估构件疲劳寿命具有重要意义。针对TC4-DT钛合金电子束焊接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展规律开展研究,设计并加工紧凑拉伸剪切(CTS)试样,通过开展不同加载角度下接头试样的疲劳裂纹扩展实验,得到接头Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的a-N曲线及疲劳裂纹扩展路径。在上述基础上引入Ⅰ-Ⅱ复合型等效应力强度因子并结合Paris公式建立TC4-DT电子束焊接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展速率方程。采用扩展有限元法(XFEM)对复合型疲劳裂纹扩展过程进行数值模拟研究,得到不同加载角度下的扩展规律,并与实验结果进行比较。结果表明:不同加载角度下Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹开裂角模拟值与实验结果误差均在10%以内,并且扩展路径均与实验结果吻合;XFEM能够有效预测复合型疲劳裂纹扩展路径。     

随机环境下涡轮盘-片剩余寿命预测方法

采用随机有限元方法, 针对某燃气涡轮盘-片进行了热流固耦合及接触热弹塑性分析, 得到了随机应力应变响应;基于概率Miner损伤准则和应变场强法, 运用K.N.Smith疲劳损伤公式及Manson-Succop形式热强综合参数蠕变方程计算了涡轮盘-片的疲劳蠕变寿命;据此分析了影响疲劳和蠕变损伤的各种因素, 提出了装置使用和维护方面的建议.分析结果接近实际, 证明该方法不失为目前为止较好的预测涡轮盘-片剩余寿命的新方法.      

咬边缺陷对超声冲击处理焊接接头疲劳性能的影响

结合国产1 6Mn低合金中强钢,进行了使用超声冲击法提高含咬边缺陷的十字型焊接接头疲劳强度、延长其疲劳寿命的研究。结果表明:咬边等焊接缺陷降低焊接接头疲劳强度(与不含明显上述缺陷的试件相比)约10%～20%左右;超声冲击处理后,含咬边缺陷的(焊趾处)1 6Mn钢十字接头的疲劳强度提高66%,疲劳寿命提高10～40倍;与不含焊接缺陷的焊态试件相比,提高疲劳强度32%,提高疲劳寿命2～7倍;咬边缺陷对冲击处理后焊接接头的疲劳性能仍有不利的影响。     

焊接工艺方法对6061-T6铝合金焊接接头疲劳性能的影响

通过对6061铝合金MIG焊接头和TIG焊接头在对应的加载应力条件下疲劳寿命的测定,对比分析了两种工艺方法对铝合金焊接接头疲劳性能的影响。结果表明,在加载应力低于焊接接头静载力学性能的90%时,焊接接头的疲劳寿命均能满足需求背景的需要(100000次不破坏)。同样载荷条件下,MIG焊接头的疲劳性能优于TIG焊接头,尤其是在高应力条件下,MIG焊接头的优势更为明显。焊接接头显微组织分析表明,MIG焊接头比TIG焊接头具有更为细小的晶粒和焊接热影响区,有效地提高了接头的滑移形变抗力,抑制了循环滑移带的形成和开裂,从而提高接头的疲劳性能。疲劳断口分析显示,试件的表面缺陷(疏松、气孔、夹杂等)及机械损伤是疲劳裂纹主要的策源地。     

考虑尺寸效应的缺口疲劳寿命预测方法

利用试样缺口根部归一化应力的分布规律，在考虑应力梯度的缺口疲劳寿命预测方法的基础上，着重考虑尺寸效应对缺口疲劳寿命的影响，构建了综合考虑平均应力、应力梯度和尺寸效应的缺口疲劳寿命预测方法.利用已有的TC4合金缺口疲劳试验数据对所发展的方法进行了验证，并与常用的几种局部应力应变法的寿命预测结果进行了对比分析.结果表明:所对比的几种局部应力应变法的寿命预测结果过于保守，而所发展的缺口疲劳寿命预测方法的预测结果几乎全在3倍分散带以内，且大多数预测结果在2倍分散带以内.