CN111220464A - 一种带环形焊缝的双轴拉伸疲劳试验件 - Google Patents

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Abstract

一种带环形焊缝的双轴拉伸疲劳试验件。涉及一种用于双轴拉伸疲劳的试验件。提出了一种试验区应力均匀，试验成功率高，试验结果准确的带环形焊缝的双轴拉伸疲劳试验件。本发明的技术方案为：包括焊缝试验区、四个连接臂和四个夹持区，四个所述夹持区分别通过四个连接臂与焊缝试验区固定相连；相邻所述连接臂之间通过圆弧过渡段相连接；所述焊缝试验区呈圆环状、且焊缝试验区的厚度小于连接臂的厚度，所述焊缝试验区的中心开设有中心孔，所述中心孔中焊接有帽型安装座结构件，所述焊缝试验区和帽型安装座结构件之间形成环形焊缝。本发明实现了双轴拉伸疲劳试验中所要达到的效果，使得试验成功率更高；使得试验的结果更为准确。

Description

一种带环形焊缝的双轴拉伸疲劳试验件
技术领域
本发明涉及一种用于双轴拉伸疲劳的试验件，尤其涉及一种针对带环形焊缝的特征结构件。
背景技术
在现代航空、汽车和船舶工业中,常常采用环形焊接的方式将安装座固定在构件外壳上，其焊接接头处往往是疲劳破坏的薄弱点。例如，在航空发动机的机匣外壳上焊接了多种类型安装座，其焊缝大多都是圆环状。安装座的焊接接头采用电子束焊，氩弧焊等方式焊接而成。在实际工作中，发动机机匣外壳会受到复杂载荷作用，使得机匣外壳上的安装座焊缝承受多轴载荷状态，从而导致安装座环形焊缝处，容易产生疲劳破坏。因此，研究这种带环形焊缝的安装座结构件在多轴受载状态下的疲劳寿命，就需要对环形焊缝区进行多轴疲劳性能考核试验，设计一种合适的带环形焊缝的双轴拉伸疲劳试验件显得尤为重要。
目前国内外已有的对接接头多轴疲劳研究中，大多都是针对拉扭加载方式的研究，采用空心圆管件来研究拉剪复合应力下的疲劳。其次还有些学者则是研究双轴疲劳加载下的疲劳裂纹扩展行为。以上这些研究所采用的双轴疲劳拉伸试验件并不适用于安装座结构环形焊缝的疲劳寿命研究。例如：
V.Chaves,G.Beretta,J.A.Balbín,A.Navarro在“Fatigue life and crackgrowth direction in 7075-T6 aluminium alloy specimens with a circular holeunder biaxial loading”(International Journal of Fatigue，2019,8)中介绍了通过空心圆管件测试了7056-T6铝合金的抗拉极限强度和纯扭极限强度，并且研究了在拉扭复合循环载荷作用下，7056-T6铝合金空心圆棒＝管件的疲劳寿命以及疲劳裂纹扩展行为。
M.Abecassis,A.
Figure BDA0002377805730000011
V.A.Esin,V.Chiaruttini,V.Maurel在“Crack growthbehavior in dissimilar welded Ti based alloys under biaxial fatigue loading”(International Journal of Fatigue，2019,1)中介绍了一种十字型双轴拉伸试验件，该试验件在中心位置设置一个倾斜角为45度的斜焊缝，将Ti17和Ti6242两种材料通过斜焊缝对接方式焊接在一起。目的是研究在双轴载荷作用下异种金属的疲劳裂纹扩展行为。
综上所述，如何针对已有十字型双轴拉伸疲劳试验件进行改进，从而能够满足环形焊缝安装座结构焊缝处多轴疲劳考核成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明针对以上问题，提出了一种试验区应力均匀，试验成功率高，试验结果准确的带环形焊缝的双轴拉伸疲劳试验件。
本发明的技术方案为：包括焊缝试验区(3)、四个连接臂(2)和四个夹持区(1)，四个所述夹持区(1)分别通过四个连接臂(2)与焊缝试验区(3)固定相连；
相邻所述连接臂(2)之间通过圆弧过渡段(5)相连接；
所述焊缝试验区(3)呈圆环状、且焊缝试验区(3)的厚度小于连接臂(2)的厚度，所述焊缝试验区(3)的中心开设有中心孔，所述中心孔中焊接有帽型安装座结构件(4)，所述焊缝试验区(3)和帽型安装座结构件(4)之间形成环形焊缝。
所述的夹持区(1)包括连为一体的梯形块和矩形块，所述梯形块处于矩形块和连接臂之间。
所述梯形块的两侧壁分别与两个圆弧过渡段(5)相切。
所述圆弧过渡段(5)的呈中心角度小于90度的圆弧状。
四个所述连接臂(2)等高设置，所述焊缝试验区(3)的顶面低于所述连接臂(2)的顶面，所述焊接试验区(3)的底面高于所述连接臂(2)的底面，所述焊接试验区(3)和连接板(2)之间通过一对圆弧形倒角过渡。
所述焊缝试验区(3)从内到外依次包括母材区，热影响区和熔合区。
所述帽型安装座结构件(4)包括空心的圆柱体和与圆柱体下部连为一体的环形安装边，所述环形安装边与圆柱体同轴心、且环形安装边与中心孔相焊接。
本发明实现了双轴拉伸疲劳试验中所要达到的效果：第一，环形焊缝处的应力水平要远高于试验件的其他部位，从而就能在双轴拉伸疲劳试验中使疲劳裂纹萌生在环形焊缝试验区内，使得试验成功率更高；第二，环形焊缝试验区沿径向的应力分布是均匀的，有助于环形焊缝安装座结构件的双轴拉伸疲劳性能考核，使得试验的结果更为准确。
附图说明
图1是本案中帽型安装座的立体图；
图2是本案的立体图；
图3是本案的俯视图；
图4是图3的A-A向剖视图；
图5是图4的B处局部放大图；
图6是有限元模拟双轴加载后的正面应力分布结果图；
图7是有限元模拟双轴加载后的反面应力分布结果图；
图8是有限元模拟双轴加载后的环形焊缝试验区剖面应力分布结果图。
图中1是夹持区，2是连接臂，3是焊缝试验区，4是帽型安装座结构件，5是圆弧过渡段。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实例对本发明进行详细说明：
本发明如图1-8所示，包括焊缝试验区(3)、四个连接臂(2)和四个夹持区(1)，四个所述夹持区(1)分别通过四个连接臂(2)与焊缝试验区(3)固定相连，使得所述试验件呈十字型；
相邻所述连接臂(2)之间通过圆弧过渡段(5)相连接；
所述焊缝试验区(3)呈圆环状、且焊缝试验区(3)的厚度小于连接臂(2)的厚度，所述焊缝试验区(3)的中心开设有中心孔，所述中心孔中焊接有帽型安装座结构件(4)，所述焊缝试验区(3)和帽型安装座结构件(4)之间形成环形焊缝。
所述的夹持区(1)包括连为一体的梯形块和矩形块，所述梯形块处于矩形块和连接臂之间。从而使得相邻夹持臂之间形成U型槽，以此在满足试验夹持要求的前提下，使夹持臂的两侧的应力水平较低，不至于出现应力集中。
所述梯形块的两侧壁分别与两个圆弧过渡段(5)相切。从而能够避免在双轴加载的过程中在夹持区的两侧与圆弧过渡段之间因为过渡不平滑而产生应力集中，导致疲劳裂纹在此处萌生。
所述圆弧过渡段(5)的呈中心角度小于90度的圆弧状。从而能够在实际试验中减小该处的应力水平，避免此处先于试验区发生破坏。
四个所述连接臂(2)等高设置，所述焊缝试验区(3)的顶面低于所述连接臂(2)的顶面，所述焊接试验区(3)的底面高于所述连接臂(2)的底面，可以保证试验时，试验区应力水平最高，而且径向的应力分布均匀，所述焊接试验区(3)和连接板(2)之间通过一对圆弧形倒角过渡。且过渡圆弧半径大于一定值，可以避免出现应力集中。
所述焊缝试验区(3)从内到外依次包括母材区，热影响区和熔合区。
所述帽型安装座结构件(4)包括空心的圆柱体和与圆柱体下部连为一体的环形安装边，所述环形安装边与圆柱体同轴心、且环形安装边与中心孔相焊接。
国内的传统技术(如国家局于2018年8月28日公布的名为“圆锥曲线过渡的双轴拉伸疲劳试验件及其试验方法”、申请号为“201810035039”的中国发明专利，以及国家局于2019年10月1日公布的名为“一种十字型硅胶双轴拉伸试件及其制备和拉伸试验方法”、申请号为“201910321229”的中国发明专利等等)从结构上来说均未提到环形焊缝，均无法测试带有环形焊缝的结构件在焊接接头处的疲劳性能。
而本发明在试验区的特殊设计可实现这个目的；传统的试验件无法保证中心区的应力水平高于其他部位，即无法确保在实际试验中裂纹萌生在中心区，而本发明在这方面进行了多次有限元模拟测试，得出了很好的模拟结果，即环形焊缝试验区的应力水平远远高于试验件其他的部位并且沿着径向应力分布较为平均。
本发明具有以下特点：
一、本案为四个夹持臂向中心延伸交汇，形成一个十字型试验件，如此便能够实现双轴拉伸加载，满足双轴拉伸试验件的基本试验要求。
二、相邻两个夹持臂之间的圆弧过渡段设计成了略小于四分之一圆周的劣弧段，并且该试验件在相邻夹持臂之间形成U型槽。由于在实际双轴加载中，U型槽会受到因相邻夹持臂的加载而产生的剪力作用，从而导致在试验件圆弧过渡段的部根出现应力集中。采用上述的设计可以有效降低U型槽根部应力集中程度，从而降低圆弧过渡区的应力水平，避免在此处产生疲劳裂纹导致试验失败。
三、夹持区的外轮廓结构为一个梯形块外接一个矩形块而成，这样的结构设计可以增大环形焊缝试验区的应力水平。此外，由于夹持区的两侧与圆弧过渡段设计成相切连接，从而能够避免在双轴加载的过程中在夹持区的两侧与圆弧过渡段之间因为过渡不平滑而产生应力集中，导致疲劳裂纹在此处萌生。
四、帽型安装座结构为一带环形安装边的圆柱体，圆柱体内外厚度的尺寸设计降低了圆柱底孔边缘处的应力水平，从而满足了实际试验中对环形焊缝的疲劳性能考核目的。
五、焊缝试验区设计成相对于连接臂正反两面减薄且厚度均匀的圆环形试验区，目的是使试验区的应力水平最高同时沿径向上的应力分布均匀，其次，试验区的减薄设计需要设置一个圆形倒角过渡，并且过渡倒角半径大于一定数值，避免应力集中出现在倒角根部位置。此外，圆弧过渡段的根部到环形焊缝试验区的外缘之间厚度的尺寸设计，既不会使得这两个结构之间的部位因为厚度不足导致应力集中，同时也不会因为厚度过大使得圆弧过渡段的根部应力水平过高。
六、焊缝试验区包括母材区，热影响区以及熔合区。在实际的双轴拉伸疲劳试验中，该环形焊缝试验区即是考察焊接接头处疲劳性能的关键部位。
综上所述，本发明实现了双轴拉伸疲劳试验中所要达到的效果：第一，环形焊缝处的应力水平要远高于试验件的其他部位，从而就能在双轴拉伸疲劳试验中使疲劳裂纹萌生在环形焊缝试验区内，使得试验成功率更高；第二，环形焊缝试验区沿径向的应力分布是均匀的，有助于环形焊缝安装座结构件的双轴拉伸疲劳性能考核，使得试验的结果更为准确。
在航空发动机燃烧室机匣上分布着多种安装座，很多疲劳破坏都发生在安装座焊缝处，需要对其焊缝的疲劳性能进行试验研究，为此将安装座简化为如图1所示的帽型安装座结构。本发明是将此帽型安装座的环形安装边与焊缝试验区中的中心孔进行对接焊，形成一圈环形焊缝，焊接完成的试验件如图2所示。此试验件的结构说明如图3所示，沿中心轴横向剖面图如图4所示，图中标识3即为该试验件的环形焊缝试验区，试验区的局部放大图如图5所示，从放大图中可看到试验区有一定的宽度并且厚度相等，目的是使得环形焊缝区3的应力水平均匀。
经过实际试验，将试验件的四个夹持区1与双轴疲劳试验机的四个作动器连接在一起，通过作动器的夹头夹紧固定试验件，夹头的中心线与试验件的两个轴的轴线重合。通过操作试验机实现对该试验件施加双轴拉伸载荷，然后关注试验件环形焊缝试验区3中裂纹萌生的位置及疲劳寿命。
为了判别该试验件的可行性，本实例通过有限元软件对其进行双轴拉伸模拟。在软件中对四个夹持区1设定4个方向的拉伸载荷80KN，材料属性设置为：E＝204GPa,υ＝0.3。结果如图6，图7所示，颜色越深代表该部位的Mises等效应力值越大，可以看出试验件的环形焊缝试验区3内的颜色深度要高于其他部位，尤其是在环形焊缝处的4个轴向的部位的颜色是最深的。从图8中亦可以看出，在环形焊缝试验区应力水平相对较高，而且沿着径向分布较均匀。综上所述，不难看出该试验件的应力集中部位是符合设计目的和设计要求的。因此，本发明作为带环形焊缝的安装座结构件的双轴拉伸疲劳试验是可行有效的。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种带环形焊缝的双轴拉伸疲劳试验件，包括焊缝试验区(3)、四个连接臂(2)和四个夹持区(1)，四个所述夹持区(1)分别通过四个连接臂(2)与焊缝试验区(3)固定相连；其特征在于，
相邻所述连接臂(2)之间通过圆弧过渡段(5)相连接；
所述焊缝试验区(3)呈圆环状、且焊缝试验区(3)的厚度小于连接臂(2)的厚度，所述焊缝试验区(3)的中心开设有中心孔，所述中心孔中焊接有帽型安装座结构件(4)，所述焊缝试验区(3)和帽型安装座结构件(4)之间形成环形焊缝。
2.根据权利要求1所述一种带环形焊缝的双轴拉伸疲劳试验件，其特征在于，所述的夹持区(1)包括连为一体的梯形块和矩形块，所述梯形块处于矩形块和连接臂之间。
3.根据权利要求2所述一种带环形焊缝的双轴拉伸疲劳试验件，其特征在于，所述梯形块的两侧壁分别与两个圆弧过渡段(5)相切。
4.根据权利要求1所述一种带环形焊缝的双轴拉伸疲劳试验件，其特征在于，所述圆弧过渡段(5)的呈中心角度小于90度的圆弧状。
5.根据权利要求1所述一种带环形焊缝的双轴拉伸疲劳试验件，其特征在于，四个所述连接臂(2)等高设置，所述焊缝试验区(3)的顶面低于所述连接臂(2)的顶面，所述焊接试验区(3)的底面高于所述连接臂(2)的底面，所述焊接试验区(3)和连接板(2)之间通过一对圆弧形倒角过渡。
6.根据权利要求1所述一种带环形焊缝的双轴拉伸疲劳试验件，其特征在于，所述焊缝试验区(3)从内到外依次包括母材区，热影响区和熔合区。
7.根据权利要求1所述一种带环形焊缝的双轴拉伸疲劳试验件，其特征在于，所述帽型安装座结构件(4)包括空心的圆柱体和与圆柱体下部连为一体的环形安装边，所述环形安装边与圆柱体同轴心、且环形安装边与中心孔相焊接。
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