CN115186396A - 喷丸搅拌摩擦焊接头疲劳载荷下薄弱区域残余应力强度因子估算方法 - Google Patents

喷丸搅拌摩擦焊接头疲劳载荷下薄弱区域残余应力强度因子估算方法 Download PDF

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Abstract

喷丸搅拌摩擦焊接头疲劳载荷下薄弱区域残余应力强度因子估算方法，属于机械结构诊断分析技术领域。FSW接头力学性能具有不均匀性，接头不同区域喷丸强化引入的残余应力场以及循环载荷下残余应力松弛情况差异明显。本发明考虑搅拌摩擦焊接头不同区域组织性能的差异和喷丸对材料状态造成的影响，能够较准确实现喷丸强化的搅拌摩擦焊接头疲劳载荷下薄弱区域残余应力强度因子的计算。对喷丸处理后搅拌摩擦焊焊接构件的安全服役具有重要理论意义和工程应用价值。

Description

喷丸搅拌摩擦焊接头疲劳载荷下薄弱区域残余应力强度因子 估算方法
技术领域
本发明是一种喷丸搅拌摩擦焊接头疲劳载荷下薄弱区域残余应力强度因子的获取方法，属于机械结构诊断分析技术领域。
背景技术
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是一种新型的固相连接技术，利用高速旋转的搅拌头与工件摩擦产生热量，使被焊材料处于流塑态下进行焊接，焊接接头具有变形小，强度高，缺陷少等优点，被广泛应用于汽车船舶、航空航天等工业领域。在工程应用中，焊接结构多服役于复杂的疲劳载荷下，疲劳失效是其最主要的破坏形式，而焊接接头往往是最容易破坏的部位。喷丸强化工艺在工业领域广泛应用，喷丸引入的残余压应力场可以有效地提高材料的抗疲劳性能。但喷丸引入的残余压应力场并非一成不变，其在循环载荷作用下的松弛特性会减少喷丸对材料抗疲劳性能的增益效果。理解并准确量化循环载荷下的残余应力松弛并对残余应力强度因子进行计算仍然是研究人员面临的技术挑战。
FSW接头力学性能具有不均匀性，接头不同区域喷丸强化引入的残余应力场以及循环载荷下残余应力松弛情况差异明显。由于实验研究成本高、过程繁琐，数值研究备受关注。本发明考虑搅拌摩擦焊接头不同区域组织性能的差异和喷丸对材料状态造成的影响，能够较准确实现喷丸强化的搅拌摩擦焊接头疲劳载荷下薄弱区域残余应力强度因子的计算。对喷丸处理后搅拌摩擦焊焊接构件的安全服役具有重要理论意义和工程应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种喷丸搅拌摩擦焊接头疲劳载荷下薄弱区域残余应力强度因子的获取方法。该方法考虑搅拌摩擦焊接头不同区域组织性能的差异和喷丸对材料状态造成的影响，能够较准确实现喷丸强化的搅拌摩擦焊接头疲劳载荷下薄弱区域残余应力强度因子的计算。
一种喷丸搅拌摩擦焊接头疲劳载荷下薄弱区域残余应力强度因子的计算方法，实现步骤如下：
步骤(1)对FSW接头做金相分析和显微硬度试验；根据接头的显微硬度和微观组织的差异，划分接头各分区，分为焊核区 (WNZ)、热机影响区(TMAZ)、低硬度热影响区(LHAZ)、高硬度热影响区(HHAZ)和母材区(BM)，对各区域截取微小试件进行微拉伸实验，得到接头每个区域材料的应力应变曲线；
步骤(2)建立靶材模型，利用有限元软件(例：ABAQUS)对接头各区域分别建立正方形代表性体积单元即靶材有限元模型，分别赋予接头对应区域的材料属性，然后对每一个靶材有限元模型分区处理，从内到外分为冲击区、过渡区、无限元区域，所有弹丸的冲击都被限制在冲击区内；过渡区域包裹着冲击区域；无限元区域作为反射边界，防止应力波在模型边界发生反射；本发明的实例中取冲击区域边长为a＝2d(d为弹丸直径0.28mm)，冲击区划分网格大小为1/14d；过渡区域边长为1.5mm，沿冲击区到无限元区域方向由小到大划分网格；无限元区域采用CIN3D8无限单元，厚度为1mm；材料采用非线性强化模型，非线性强化模型数据从接头各个区域试件的微拉伸试验中获取；
步骤(3)建立喷丸模拟的弹丸模型，弹丸模型定义成解析刚体；喷丸覆盖率达到100％，利用Avrami公式对弹丸数目进行确定；借助python语言编程生成弹丸束模型，弹丸满足在空间位置随机分布且丸心坐标限制在冲击区域内不发生重叠。本发明的实例中第i个弹丸中心生成算法为：
Figure RE-GDA0003798331210000031
Figure RE-GDA0003798331210000032
z＝2d+0.06×(i+1),i＝1,2,3...
判断随机产生的丸心坐标与已产生任意丸心坐标的距离L，若L>d，采用坐标，否则舍弃。
步骤(4)在ABAQUS/Explicit中对靶材模型进行喷丸模拟；通过定义弹丸的初始速度和转动惯量来定义弹丸与靶材表面撞击过程中的载荷；弹丸与靶材表面设置通用接触，摩擦模型为罚函数模型，不设置弹丸相互之间的接触，将靶材底面完全固定；
步骤(5)提取步骤(4)喷丸模拟后靶材的残余应力场和塑性应变场；本发明的实例中每个代表性体积单元中冲击区中心取样区域网格每层625个单元，网格共25层，对每层单元的残余应力和等效塑性应变求平均值得到沿厚度方向分布残余应力场和等效塑性应变场，最后一层单元的等效塑性应变和残余应力趋近于0；
步骤(6)对FSW接头进行建模，FSW接头对应的六个区域 (步骤(1)划分的六个区域)具有明显的性能差异，分别对接头模型各区赋予对应的材料属性；本发明的实例中喷丸强化的FSW试件载荷和结构近似对称，对FSW接头的一侧建立接头宏观模型，单元类型为CPE4R单元，材料采用非线性运动强化模型，用各区域微拉伸试件的循环应力应变数据得到；
步骤(7)将接头各区代表性体积单元喷丸模拟得到的沿厚度方向分布的残余应力场和等效塑性应变场通过预定义场引入到步骤(6) 建立的接头宏观模型对应各区中，经过一个应力平衡分析步把引入的初始残余应力进行平衡；
步骤(8)对步骤(6)建立的接头宏观模型施加循环载荷加载 10周，得到应力应变演化响应；卸载后，根据接头最大塑性应变的出现位置判断六个区域哪一个是薄弱区域，对该薄弱区域每层节点的残余应力求平均值得到沿厚度方向分布残余应力场；
步骤(9)采用权函数法计算表层梯度较大的喷丸残余应力场中裂纹的应力强度因子Kres；
Figure RE-GDA0003798331210000041
式中A——裂纹深度；
m(A,x)——表面裂纹最深点的权函数；
σ(x)——薄弱区域沿x(厚度)方向分布的残余应力场。
有益效果
本发明一种喷丸搅拌摩擦焊接头疲劳载荷下薄弱区域残余应力强度因子的计算方法。该方法考虑搅拌摩擦焊接头不同区域组织性能的差异和喷丸对材料状态造成的影响，能够较准确实现喷丸强化的搅拌摩擦焊接头疲劳载荷下薄弱区域残余应力强度因子的计算。
附图说明
图1为本发明一种喷丸强化的搅拌摩擦焊接头疲劳载荷下残余应力的估算方法流程图。
图2为本发明一实施例中喷丸强化模拟靶材模型图。
图3为本发明一实施例中FSW接头宏观模型图。
图4为本发明一实施例中FSW接头模型初始残余应力分布云图。
图5为本发明一实施例中在R＝0.1、σmax＝350MPa加载条件下加载10周后FSW接头模型塑性应变分布云图。
图6为本发明一实施例中在R＝0.1、σmax＝220MPa加载条件下加载10周后FSW接头模型塑性应变分布云图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。
如附图1所示，本发明实施例的一种喷丸搅拌摩擦焊接头疲劳载荷下薄弱区域残余应力强度因子的计算方法，可以包括如下步骤：
步骤(1)对FSW接头做金相分析和显微硬度试验。根据接头的显微硬度和微观组织的差异，划分接头各分区，分为焊核区 (WNZ)、热机影响区(TMAZ)、低硬度热影响区(LHAZ)、高硬度热影响区(HHAZ)和母材区(BM)。对各区域截取微小试件进行微拉伸实验，得到接头每个区域材料的应力应变曲线。
步骤(2)建立靶材模型，利用有限元软件(例：ABAQUS)对接头各区域分别建立正方形代表性体积单元即靶材有限元模型，分别赋予接头对应区域的材料属性，然后对每一个靶材有限元模型分区处理，从内到外分为冲击区、过渡区、无限元区域，如附图2所示。所有弹丸的冲击都被限制在冲击区内；过渡区域包裹着冲击区域；无限元区域作为反射边界，防止应力波在模型边界发生反射。本发明的实例中取冲击区域边长为a＝2d(d为弹丸直径0.28mm)，冲击区划分网格大小为1/14d；过渡区域边长为1.5mm，沿冲击区到无限元区域方向由小到大划分网格；无限元区域采用CIN3D8无限单元，厚度为1mm；材料采用非线性强化模型，非线性强化模型数据从接头各个区域试件的微拉伸试验中获取。
步骤(3)建立喷丸模拟的弹丸模型，弹丸模型定义成解析刚体；喷丸覆盖率达到100％，利用Avrami公式对弹丸数目进行确定；借助python语言编程生成弹丸束模型，弹丸满足在空间位置随机分布且丸心坐标限制在冲击区域内不发生重叠。本发明的实例中第i个弹丸中心生成算法为：
Figure RE-GDA0003798331210000061
Figure RE-GDA0003798331210000062
z＝2d+0.06×(i+1),i＝1,2,3...
判断随机产生的丸心坐标与已产生任意丸心坐标的距离L，若L>d，采用坐标，否则舍弃。
步骤(4)在ABAQUS/Explicit中对靶材模型进行喷丸模拟。通过定义弹丸的初始速度和转动惯量来定义弹丸与靶材表面撞击过程中的载荷。弹丸与靶材表面设置通用接触，摩擦模型为罚函数模型。不设置弹丸相互之间的接触，将靶材底面完全固定。
步骤(5)提取步骤(4)喷丸模拟后靶材的残余应力场和塑性应变场；本发明的实例中每个代表性体积单元中冲击区中心取样区域网格每层625个单元，网格共25层，对每层单元的残余应力和等效塑性应变求平均值得到沿厚度方向分布残余应力场和等效塑性应变场，最后一层单元的等效塑性应变和残余应力趋近于0。
步骤(6)对FSW接头进行建模，FSW接头对应的六个区域 (步骤(1)划分的六个区域)具有明显的性能差异，分别对接头模型各区赋予对应的材料属性；本发明的实例中喷丸强化的FSW试件载荷和结构近似对称，对FSW接头的一侧建立接头宏观模型，如附图3所示，单元类型为CPE4R单元，材料采用非线性运动强化模型，用各区域微拉伸试件的循环应力应变数据得到。
步骤(7)将接头各区代表性体积单元喷丸模拟得到的沿厚度方向分布的残余应力场和等效塑性应变场通过预定义场引入到步骤(6) 建立的接头宏观模型对应各区中，经过一个应力平衡分析步把引入的初始残余应力进行平衡。初始残余应力分布如附图4所示。
步骤(8)对步骤(6)建立的接头宏观模型施加循环载荷加载 10周，得到应力应变演化响应；卸载后，根据接头最大塑性应变的出现位置判断六个区域哪一个是薄弱区域，以R＝0.1、σmax＝350MPa和R＝0.1、σmax＝220MPa加载条件为例，接头各个区的塑性应变分布云图分别如附图5和附图6所示，薄弱区域分别在WNZ/TMAZ交界处和LHAZ。对薄弱区域每层节点的残余应力求平均值得到沿厚度方向分布残余应力场。
步骤(9)采用权函数法计算表层梯度较大的喷丸残余应力场中裂纹的应力强度因子Kres；
Figure RE-GDA0003798331210000071
式中A——裂纹深度；
m(A,x)——表面裂纹最深点的权函数；
σ(x)——薄弱区域沿x(厚度)方向分布的残余应力场。

Claims (1)

1.一种喷丸搅拌摩擦焊接头疲劳载荷下薄弱区域残余应力强度因子的计算方法，其特征在于，实现步骤如下：
步骤(1)对FSW接头做金相分析和显微硬度试验；根据接头的显微硬度和微观组织的差异，划分接头各分区，分为焊核区(WNZ)、热机影响区(TMAZ)、低硬度热影响区(LHAZ)、高硬度热影响区(HHAZ)和母材区(BM)，对各区域截取微小试件进行微拉伸实验，得到接头每个区域材料的应力应变曲线；
步骤(2)建立靶材模型，利用有限元软件对接头各区域分别建立正方形代表性体积单元即靶材有限元模型，分别赋予接头对应区域的材料属性，然后对每一个靶材有限元模型分区处理，从内到外分为冲击区、过渡区、无限元区域，所有弹丸的冲击都被限制在冲击区内；过渡区域包裹着冲击区域；无限元区域作为反射边界，防止应力波在模型边界发生反射；本发明的实例中取冲击区域边长为a＝2d，d为弹丸直径0.28mm，冲击区划分网格大小为1/14d；过渡区域边长为1.5mm，沿冲击区到无限元区域方向由小到大划分网格；无限元区域采用CIN3D8无限单元，厚度为1mm；材料采用非线性强化模型，非线性强化模型数据从接头各个区域试件的微拉伸试验中获取；
步骤(3)建立喷丸模拟的弹丸模型，弹丸模型定义成解析刚体；喷丸覆盖率达到100％，利用Avrami公式对弹丸数目进行确定；借助python语言编程生成弹丸束模型，弹丸满足在空间位置随机分布且丸心坐标限制在冲击区域内不发生重叠；第i个弹丸中心生成算法为：
Figure FDA0003643404430000011
Figure FDA0003643404430000012
z＝2d+0.06×(i+1),i＝1,2,3...判断随机产生的丸心坐标与已产生任意丸心坐标的距离L，若L＞d，采用坐标，否则舍弃；
步骤(4)在ABAQUS/Explicit中对靶材模型进行喷丸模拟；通过定义弹丸的初始速度和转动惯量来定义弹丸与靶材表面撞击过程中的载荷；弹丸与靶材表面设置通用接触，摩擦模型为罚函数模型，不设置弹丸相互之间的接触，将靶材底面完全固定；
步骤(5)提取步骤(4)喷丸模拟后靶材的残余应力场和塑性应变场；本发明的实例中每个代表性体积单元中冲击区中心取样区域网格每层625个单元，网格共25层，对每层单元的残余应力和等效塑性应变求平均值得到沿厚度方向分布残余应力场和等效塑性应变场，最后一层单元的等效塑性应变和残余应力趋近于0；
步骤(6)对FSW接头进行建模，FSW接头对应的六个区域(步骤(1)划分的六个区域)具有明显的性能差异，分别对接头模型各区赋予对应的材料属性；本发明的实例中喷丸强化的FSW试件载荷和结构近似对称，对FSW接头的一侧建立接头宏观模型，单元类型为CPE4R单元，材料采用非线性运动强化模型，用各区域微拉伸试件的循环应力应变数据得到；
步骤(7)将接头各区代表性体积单元喷丸模拟得到的沿厚度方向分布的残余应力场和等效塑性应变场通过预定义场引入到步骤(6)建立的接头宏观模型对应各区中，经过一个应力平衡分析步把引入的初始残余应力进行平衡；
步骤(8)对步骤(6)建立的接头宏观模型施加循环载荷加载10周，得到应力应变演化响应；卸载后，根据接头最大塑性应变的出现位置判断六个区域哪一个是薄弱区域，对该薄弱区域每层节点的残余应力求平均值得到沿厚度方向分布残余应力场；
步骤(9)采用权函数法计算表层梯度较大的喷丸残余应力场中裂纹的应力强度因子Kres；
Figure FDA0003643404430000031
式中A——裂纹深度；
m(A,x)——表面裂纹最深点的权函数；
σ(x)——薄弱区域沿x(厚度)方向分布的残余应力场。
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