【摘 要】
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目前,铝合金AA2024-T351（简称AA2024-T351）的搅拌摩擦焊接技术正越来越广泛地用于工程关键结构。但少见FSW焊区裂纹扩展机理的研究文献。对该机理的研究,可以预知裂纹在材料中的扩展规律和断裂参数,寻求有效的断裂判据。这对搅拌摩擦焊接工艺参数的优化、焊接强度的提高、工程焊接结构的抗疲劳及抗断裂设计、剩余寿命的估算等方面具有重要的工程应用价值和学术价值。 本文的研究思路是:在已
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目前,铝合金AA2024-T351（简称AA2024-T351）的搅拌摩擦焊接技术正越来越广泛地用于工程关键结构。但少见FSW焊区裂纹扩展机理的研究文献。对该机理的研究,可以预知裂纹在材料中的扩展规律和断裂参数,寻求有效的断裂判据。这对搅拌摩擦焊接工艺参数的优化、焊接强度的提高、工程焊接结构的抗疲劳及抗断裂设计、剩余寿命的估算等方面具有重要的工程应用价值和学术价值。 本文的研究思路是:在已有的大量实验数据的基础上,通过数值模拟研究FSW焊区裂纹稳定扩展的过程及过程中力学参量和承载能力的变化;反映裂纹尖端应力场及塑性区的动态变化;结合焊区微观组织,对比裂纹稳定扩展的实验与数值结果进行分析;给定裂纹扩展过程中的断裂判据。 本文应用软件Franc2D/L对铝合金2024-T351进行了三种焊接参数下焊区及母材的Ⅰ型（0°加载）与复合型（30°、60°加载）裂纹稳定扩展的二维数值分析: 一、对Ⅰ型裂纹稳定扩展的数值分析,表明应用Franc2D/L计算Ⅰ型裂纹稳定扩展的可行性。 1)对比分析数值计算与实验获得的最大载荷值及载荷-裂纹扩展曲线（P-△a曲线）,研究了焊区材料强度与母材之间的差异。表明FSW焊区与母材是一种低强匹配。 2)分析裂纹稳定扩展过程中有效应力及Y向应力动态分布数据。这是实验研究很难完成的工作,也是数值分析的意义之一。通过数值计算,更加深入精确地分析和了解裂纹的扩展规律。 3)修正了临界COD判据。得到并采用拟合临界COD曲线作为FSW裂纹稳态扩展判据,可全程模拟裂纹从起裂到稳定扩展的过程。 4)分析了裂纹稳定扩展过程中裂尖塑性区真实尺寸和形状。这也是实验研究很难完成的工作。 二、对Ⅰ—Ⅱ复合型（30°、60°加载）裂纹稳定扩展的线弹性数值分析中,初步表明应用Franc2D/L计算复合型裂纹稳定扩展的可行性。 1)分析复合型裂纹扩展过程中,加载角度的变化及焊接参数的变化对裂纹扩展路径的影响。 2)分析了弹塑性与线弹性材料在裂纹扩展的过程中K因子的不同表现。 3)通过30°和60°的Ⅰ—Ⅱ复合型裂纹扩展的复合度分析,表明30°和60°裂纹稳定扩展过程中主要是Ⅰ型主导,只在裂纹起裂阶段是复合型的; 4)通过30°和60°的Ⅰ—Ⅱ复合型裂纹扩展数值分析,表明采用Franc2D/L进行Ⅰ—Ⅱ复合型裂纹扩展的路径、复合度分析是可行的。
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