【摘 要】
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目前TC4钛合金凭借其比强度高、耐腐蚀及优良的高低温性能,在航天领域的应用越来越广泛。钛合金球形高压气瓶是通过对接焊的方式,将两个半球形壳体焊接成一个完整的球形气瓶
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目前TC4钛合金凭借其比强度高、耐腐蚀及优良的高低温性能,在航天领域的应用越来越广泛。钛合金球形高压气瓶是通过对接焊的方式,将两个半球形壳体焊接成一个完整的球形气瓶。球形高压气瓶由于内部储存着高压气体,因此焊接接头质量的好坏关系到高压气瓶乃至整个航天器的安全使用。航天器球形高压气瓶周期性的进入地球向阳面和背阴面,其中的气压会周期性的变化。在交变载荷作用下,焊接接头容易发生疲劳断裂。因此对TC4钛合金高压气瓶焊接接头残余应力的预测以及疲劳分析具有重要意义。本文采用与参考文献[71]中实验一样的焊接模型及焊接参数,利用ANSYS软件对航天器球形高压气瓶进行焊接数值模拟。利用APDL语言和生死单元技术实现了焊接热源的加载和移动,获得焊接温度场和应力场随时间的变化过程以及焊接残余应力的分布情况。然后将实验结果和模拟结果进行对比,验证采用本文数值模拟方法进行类似焊接模拟的可行性。然后利用ANSYS模拟高压气瓶的淬火过程,最后利用ANSYSFE-safe对高压气瓶进行疲劳分析,获得其疲劳使用寿命和安全系数。从温度场来看,虽然模型对称,但是球壳表面节点的温度分布和变化趋势并不对称。焊接时,越过端部效应后,焊接温度场呈现准稳态分布的特点。焊接时,焊接应力场呈现类似准稳态分布的特点。焊件冷却至室温时焊缝两侧会出现“M”型横向残余应力分布。淬火时效处理能够有效降低焊接残余应力,并且能够让焊接残余应力分布趋于均匀。高压气瓶的气嘴处疲劳寿命最短,焊缝处疲劳安全系数较低,发生疲劳破坏的概率较大。残余应力对钛合金球形高压气瓶的安全使用并非一无是处,合适的残余应力反而能增加其承载能力。因此,合理的焊接和热处理工艺对TC4钛合金球形高压气瓶的承载能力具有重要的作用。
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