A7N01铝合金焊接接头可靠性评估及补焊性能研究

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随着高速列车运行速度的不断提升,服役安全性问题也日益凸显。目前为了及时发现安全隐患,需要对运行使用中的整个车体结构做定期的检修。针对检修发现的缺陷,常常仅凭经验对不同类型、不同位置、不同尺寸的面缺陷统一采用补焊的处理措施。然而补焊常常伴随着接头性能的降低以及结构残余应力场的变化,补焊过程对焊接结构服役性能的影响机制极为复杂,是结构安全性研究领域的热点。因此基于“合用性原则”建立合理的缺陷检修评定准则对于提高高速列车服役安全性具有重要理论和工程意义。本论文以高速列车底架A7N01铝合金典型焊接接头为研究对象,借助于有限元模拟和实验分析两种手段,采用BS7910方法对补焊前后接头进行安全性评定。基于断裂力学理论,采用Paris公式对其进行剩余寿命计算,最终提出了满足可靠性要求的补焊依据。具体的工作及研究成果主要包括:通过数值模拟和试验得到在服役动载荷作用下车体底架的应力分布,并且综合考虑车体承载底架焊接结构的工作应力场和残余应力场的分布规律,将补焊前后高应力区域的三个危险点作为构件安全性评估位置。基于断裂力学理论,对车体底架三种典型对接接头进行有限元模拟分析计算,得到补焊前三种接头及补焊后接头裂纹形状系数与裂纹长度之间的函数,为准确评估高速列车车体底架的可靠性提供了依据。利用BS7910方法对三个评估位置进行安全性评估,FAD图结果表明对接K形坡口的安全性最低。对于补焊前后焊接接头中实际存在的半椭圆表面裂纹和单边穿透裂纹进行脆断评定,结果表明三个评估位置均满足安全性要求。在给定工况下对两种裂纹进行裂纹容限计算,发现单边穿透裂纹比半椭圆表面裂纹危险得多。通过Paris公式对含有单边穿透裂纹焊接接头进行疲劳寿命计算,结果表明:若补焊前后接头中初始裂纹长度相同,补焊后接头承载能力降低;若补焊前后接头中初始裂纹长度不同,补焊后疲劳剩余寿命大大提高,说明相对存在裂纹的情况下补修焊依然是提高接头承载能力的一种有效方法。最后,在满足安全性的条件下,基于补焊前后疲劳剩余寿命相同的原则,建立了缺陷的检修评定准则,为实际工程应用提供了科学的补焊依据。
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