车用铝合金焊接接头及基本单元件的大变形力学行为研究

题名	车用铝合金焊接接头及基本单元件的大变形力学行为研究
作者	乔及森
导师	陈剑虹
答辩日期	2007
学位名称	博士
关键词	焊接接头不均匀大变形损伤力学性能有限元模拟
摘要	为响应节能、环保的现代汽车设计要求,全铝合金空间框架车身ASF(AluminiumSpace Frame)被广泛推广使用。关于该类车体的碰撞安全设计,限于问题复杂性和实验成本等因素,不可能开展大量的碰撞实验,因此有限元计算模拟在设计环节中所占的比重越来越大。利用显式求解器如ABAQUS/Explicit,等开展车体冲击大变形、损伤断裂行为研究,汽车厂商和研究院所已经做了大量工作。但其分析结果与实验结果往往有较大差距,就其原因不是软件本身的计算精度问题,而是涉及车体材料和焊接接头的模型问题。具体而言为:1)在大变形冲击计算中缺乏精确的材料模型以及准确的材料参数来描述材料在复杂应力状态、高应变速率和各向异性等条件下的变形、损伤和断裂行为。2)焊接接头在汽车空间框架中是关键的连接环节。就其在车体碰撞过程中的不均匀大变形规律和断裂机理目前仍然没有完全认识。对不同工艺特点的焊接接头缺乏准确的力学性能把握,没有有效的材料表征手段和正确的材料模型可用,所以对于焊接接头的处理往往过于粗糙,从而不能得到精确的分析结果。3)在整车分析中关于焊接接头的有限元模型较少,除点焊和粘接接头外其它如熔焊缝焊接头等有限元模型研究很少,尤其是适合于整车分析的简化或替代模型仍然有很大的开发空间。围绕上述问题本文从以下几方面进行了研究:首先对两类车用铝合金5052H34,6063T5进行了激光、TIG和搅拌摩擦焊接。完成了车体中常用的三类焊接接头制备。同时对接头的金相组织和力学性能进行了测定,分析了三类焊接接头力学不均匀性的各自特点。为后续研究奠定基础。第二部分工作是重点针对接头基本母材5052H34进行了材料表征。采用静态、动态光滑拉伸实验、缺口拉伸实验和双缺口剪切实验以及纯剪切实验结合断口SEM观察和组织金相分析,有限元模拟计算等手段详细研究了材料的各向异性、应力状态和应变速率以及温度等对材料流变和损伤断裂行为的影响。在此基础上推导了考虑动态软化和加工硬化耦合作用的材料连续本构方程。并在材料损伤失效分析中引入了Gurson和Johnson Cook损伤模型,测定了微观和宏观的损伤参量。所得材料模型可以很好地应用于材料的有限元计算中。第三部分工作则重点研究了焊接接头的不均匀大变形力学行为。利用微穿刺实验结合有限元反向迭代计算对焊接接头中从焊缝到母材的不均匀力学性能进行了材料表征。将接头分为10个子区域,分别给出了各自的流变曲线。利用网格变形摄像法,分析了焊接接头的不均匀大变形过程,并结合有限元计算分析了焊接接头不均匀大变形的演化规律。第四部分,研究了接头的有限元建模。首先利用微穿刺材料表征技术建立了能准确反映接头中局部材料在复杂应力状态下不均匀变形的接头材料模型,结合接头几何模型构建了接头的有限元细化模型。在此基础上研究了焊接接头不均匀变形的机制和影响因素。建立了焊接接头不均匀力学区等效宽度与强度失配系数、几何参数之间的函数关系。利用接头的等效宽度和等效应力—应变关系形成了对接接头的等效简化模型,作为整车有限元分析中接头的替代模型,为后续整车分析奠定基础。第五部分,利用前文得到的材料参数和接头模型对铝合金空间框架车体中的基本单元件即无焊缝和带焊缝的两类薄壁管件进行了轴向耐撞性实验和有限元分析。讨论了结构参数、载荷条件及局部材料特性对结构变形和断裂行为的影响,并给出了一定的优化措施。在这一部分工作中还同时对前文所建立的接头有限元模型进行了验证,实验与数值模拟结果对比表明所用接头有限元模型是准确可靠的,可以反映结构在复杂载荷及边界条件下不均匀变形和失效过程。第六部分,在并行计算平台上引入焊接接头的简化替代模型,对车体空间框架结构耐撞性能进行了有限元模拟。研究中以整车碰撞刚性柱体为例,分析了在高速碰撞过程中车体空间框架自身以及和内部安装零部件之间的相互作用。获得了车体在碰撞过程中的动力学响应特性,并对车体结构中可能存在的安全隐患进行了分析。
页数	130
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语种	中文
收录类别	CNKI
中图分类号	TG407
文献类型	学位论文
条目标识符	https://ir.lut.edu.cn/handle/2XXMBERH/89813
专题	兰州理工大学
作者单位	兰州理工大学
第一作者单位	兰州理工大学
推荐引用方式 GB/T 7714	乔及森. 车用铝合金焊接接头及基本单元件的大变形力学行为研究[D],2007.