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激光冲击镁合金接头疲劳裂纹扩展数值模拟

王朋飞  
【摘要】:镁合金作为轻量化金属的代表,其优越的力学性能得到了人们的广泛关注。目前,在一些对质量要求较高的行业中如航空、航天、汽车等工业领域,对镁合金的需求越来越大。然而,镁合金本身的的一些缺点如抗疲劳性能、焊接性能以及耐腐蚀性能都比较差,限制了广泛应用的可能性。因此,优化镁合金性能的研究变得意义重大。当前人们研究比较多的是镁合金的疲劳裂纹扩展或激光冲击后的疲劳裂纹扩展,而对于将焊接、激光冲击以及疲劳裂纹扩展三者结合起来的研究则相对较少。因此,焊后激光冲击处理的残余应力场和疲劳裂纹扩展的研究变得十分有意义。本文基于ABAQUS有限元分析软件进行了厚板对接接头和T型接头的多道焊有限元模拟。通过使用ABAQUS的用户子程序SUBROUTINE DFLUX,运用Fortran语言编写热源的形状和移动加载,使用生死单元技术实现多焊道的数值模拟,使用C3D8T热-位移耦合单元同时计算出温度场和残余应力场。模拟结果表明,焊接接头的焊缝区和热影响区存在较大的残余拉应力,这种残余应力会严重影响接头在服役过程中的使用寿命。本文基于ABAQUS有限元分析软件对激光冲击强化焊接接头进行了数值模拟。由于激光冲击是在高应变率的情况下进行的,准静态的本构关系将不再适用。因此,本文采用的是Johnson-Cook动态本构,而回弹则采用常温准静态下的应力应变曲线。通过调整激光冲击的工艺参数:即激光功率密度、光斑大小、冲击次数和搭接率,优化出一套比较完整的最优激光冲击工艺参数。模拟结果表明,激光的功率密度为7.5GW/cm2(峰值压力5GPa),光斑大小为2mm,在搭接率为75%的情况下沿着焊缝冲击2-4次,得到的冲击后的残余应力场是比较理想的。最后,本文将焊接和激光冲击后的残余应力场导入到MSC Fatigue中进行疲劳裂纹扩展模拟。通过对比结果可以发现经过激光冲击强化的焊接接头的抗疲劳性能是否有所改善。结果显示,经过激光冲击处理后的焊接接头的疲劳裂纹扩展寿命明显增加,同时导致疲劳破坏的裂纹长度也有所增加。最终的模拟结果与他人文献里实验数据对比发现,模拟结果比较准确。


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