1、由于鋁合金焊接結構在減輕結構重量、適應低溫/腐蝕環(huán)境和提高結構設計制造的靈活性及效率等方面具備顯著優(yōu)勢,因而成為航天運載工具中貯箱的重要結構形式。但由于焊接制造過程的特殊性,焊接接頭強度受到局部力學性能不均勻、殘余應力和焊縫余高引起的應力集中等焊接特有因素的復雜耦合影響,給焊接結構強度問題的分析計算帶來很大困難。
　　針對以上問題,本文以焊接接頭局部力學性能特性為主線,分析研究了靜態(tài)加載、預腐蝕和疲勞加載條件下焊接因素對接頭強度的

2、影響以及相應的強度評估方法。本文的主要研究內(nèi)容包括以下五個方面。
　　(1)焊接接頭局部力學性能試驗測量方法研究。根據(jù)微觀組織形貌,確定局部力學性能在接頭中變化的關鍵點;在局部拉伸試驗中對關鍵點應力-應變數(shù)據(jù)進行了測量,獲取了局部力學性能準確的離散性數(shù)據(jù);歸納了焊接接頭局部力學性能的離散特性。結果表明,焊接接頭塑性力學性能在近焊縫的局部區(qū)域內(nèi)發(fā)生著連續(xù)、非線性且大幅的變化,而該區(qū)域內(nèi)彈性模量則較為一致,但彈性段范圍各不相同;局部力

3、學性能的不均勻性與焊縫余高之間的耦合作用對接頭強度和斷裂位置存在重要影響。
　　(2)焊接接頭強度數(shù)值分析方法研究。歸納總結了焊接接頭局部區(qū)域內(nèi)任意點之間在力學性能上的相關性和差異性;構建了描述該區(qū)域內(nèi)任意點力學性能的數(shù)學模型;提出了兼顧計算精度和效率的有限元建模方法;對焊接接頭拉伸試樣進行了有限元分析和試驗驗證。結果表明,局部區(qū)域內(nèi)任意點應力-塑性應變雙對數(shù)曲線具有相同的斜率,曲線與坐標軸交點的縱坐標和屈服強度呈比例關系;所提出

4、的數(shù)學模型,不僅提供了有限元分析所需數(shù)據(jù),而且給出了一種僅需少量簡單試驗數(shù)據(jù)的局部力學性能估算方法;局部力學性能與其它因素的耦合作用是決定接頭強度的關鍵因素,通過對耦合作用位置的細化和對其它區(qū)域的簡化,可兼顧分析精度和效率。
　　(3)焊接接頭釋放應變-殘余應力關系研究。分析總結了局部力學性能不均勻影響殘余應力計算結果的原因;通過數(shù)值分析方法,計算了考慮局部力學性能影響后的釋放應變-殘余應力數(shù)值關系;分析總結了局部力學性能對結果的

5、影響。結果表明,接頭局部區(qū)域力學性能與母材的差異,使得區(qū)域內(nèi)釋放應變-應力關系與母材存在區(qū)別,導致殘余應力計算結果產(chǎn)生誤差,其對殘余拉應力極大值的影響最大;鋁合金焊接接頭中殘余拉應力極值一般小于母材的屈服強度,但很可能已達到甚至超過所處位置材料的實際屈服強度。
　　(4)貯箱焊接接頭預腐蝕強度性能研究。針對長期貯存腐蝕性溶液的貯箱中的焊接接頭在腐蝕后承受高強度拉伸載荷的特殊工況,通過鋁合金焊接接頭和母材試樣的腐蝕試驗,比較分析了焊

6、接接頭與母材之間在腐蝕性能上的差異;提出了結合局部力學試驗、腐蝕試驗和有限元方法的焊接接頭預腐蝕強度預測方法;通過試驗進行了驗證;對接頭中關鍵位置斷裂應力隨腐蝕時間的變化進行了數(shù)值分析。結果表明,焊接接頭不同區(qū)域的腐蝕性能存在顯著差異;腐蝕性能是影響接頭預腐蝕強度的重要因素,隨著腐蝕時間的增加腐蝕的影響逐漸增大;在腐蝕和局部力學性能的共同作用下,預腐蝕斷裂的位置隨著時間而發(fā)生變化。
　　(5)貯箱焊接接頭疲勞與斷裂性能研究。針對重

7、復使用的貯箱中的焊接接頭承受交變載荷的特殊工況,根據(jù)疲勞危險部位的局部力學性能數(shù)據(jù)估算了該處疲勞性能參數(shù);預測了疲勞壽命并通過疲勞試驗進行了驗證;分析了焊接和厚度效應對焊接薄板臨界應力強度因子的影響;提出了一種通過斷口處臨界裂紋類型和尺寸來估算斷口處臨界應力強度因子的方法。結果表明,疲勞斷裂部位的局部力學性能是影響估算結果的關鍵因素,采用斷裂部位的局部拉伸性能數(shù)據(jù)估算得到的疲勞性能參數(shù)能夠滿足工程計算的要求;利用斷口裂紋尺寸對臨界應力強