1、工程結構的安全性能預測包含對含缺陷結構的完整性評定以及剩余疲勞壽命的預測,是一項多學科交叉的綜合技術,它涉及到斷裂力學、連續(xù)介質力學、損傷力學以及材料力學等多個領域。焊接加工作為最廣泛采用的制造方法,具有多種優(yōu)越性,但由于焊接熱過程的局部、快速等特點,造成焊接結構三個方面的明顯不足:焊接缺陷、組織性能惡化及高殘余應力場,這直接導致結構服役性能的大幅度降低,并使其可靠性評估極為復雜。
　　針對上述情況,本文通過研究焊接結構完整性評定

2、以及剩余壽命預測過程涉及的基礎理論,結合虛擬現實技術開發(fā)了一套可視化的焊接結構可靠性預測系統。本系統可實現對焊接缺陷的規(guī)則化、焊接結構的一次應力、二次應力的計算,還可實現基于不同的評定標準含缺陷焊接結構的完整性評定以及基于S-N曲線的疲勞壽命預測等。本系統首次將有限元分析與解析評定過程相結合,真正意義上實現了虛擬現實技術在焊接技術上的全面應用。本系統中完整性評定程序涵蓋了GB19264、CEGB R/H/R6、BS7910、SINTAP

3、/FITNET以及 IIW doc. XIII-1965-03/XV-1127-03,可應用于壓力容器、軌道交通等行業(yè)的多種復雜焊接結構中。
　　系統主要包含基本參數數據采集模塊、焊接接頭質量評估模塊、焊接結構的應力分析模塊、焊接結構的完整性評定模塊,焊接結構剩余壽命計算模塊,結果輸出模塊,本文詳細闡明了主要模塊的構建方案與功能。系統具有基本參數的約束條件判斷、自動化有限元分析、有限元結果智能篩選、評估過程與結果的實時性分析與回饋

4、、系統與有限元軟件之間無縫集成等特點。
　　基于 MSC接口平臺,采用python腳本語言構建的基于焊接特征的FEA模塊在可視化界面中實現了與MSC環(huán)境下等同性,操作便捷。本文將此模塊應用于高速列車地板大型復雜鋁合金擠壓中空型材結構的拼焊過程的變性分析。同時為提高計算精度,試驗測試了隨溫度變化的材料動態(tài)力學性能參數及熱物理參數,并采用移動雙橢球體熱源模型模擬 MIG焊接熱源。對多個高速列車地板結構的焊后撓曲變形進行了現場測試,結果

5、證明,模擬計算結果與測試數據具有很高的吻合度。
　　針對現行工藝進行了焊接順序優(yōu)化嘗試,提出由外側向中心對稱焊接地板結構上的6條縱焊縫的方案,數值模擬結果證明,焊后撓曲變形規(guī)律與現行工藝一致,但是變形量僅為現行工藝條件下的78.6％,對于類似地板結構的大型復雜薄壁構件,可以利用結構自身重力造成的三點彎曲作用,制定合理的工藝措施來控制焊接角變形,矯正其平面度偏差。
　　利用構建的系統完成了對CRH2型高速列車框架式底架結構的完

6、整性評定,評定規(guī)范采用SINTAP/FITNET。借助基于熱-力耦合分析的FEA模塊,模擬計算了底架結構補強板、地板與底架連接主要焊縫的焊接過程,并對焊后底架結構的殘余應力場進行分析。底架結構的焊后 Von Mises等效應力最高為143MPa,接近焊絲 ER5356的屈服強度,殘余應力分布區(qū)域較窄。模擬計算獲得了底架結構動應力的總體分布規(guī)律,采用基于 set特征的算法,獲取了結構的承載危險點,確定了底架結構上危險部位的一次應力與二次應

7、力水平。在采用虛擬裂紋的方案,分別開展了對半橢圓表面裂紋與角裂紋的完整性評定,評定過程中分別考慮一次應力與二次應力的作用,以及一次應力與二次應力之間的相互作用。評定結果表明,對于在牽引梁上各個危險部位存在a/2c=0.5,a=3mm的裂紋均處于安全狀態(tài),不存在脆斷的危險。當補強板與牽引梁上出現 a=6mm,2c=12mm的半橢圓表面裂紋時,結構不安全,需要采取相關措施去除裂紋。
　　通過對斷裂韌度的機理研究,提出 A7N01P-T

8、5鋁合金斷裂韌度KC(B)的厚度效應解析公式,此公式可以計算任意厚度材料的斷裂韌度,具有普適性與高精度的優(yōu)勢,并為其它材料斷裂韌度KC的厚度效應研究提供了參考。由該 KC(B)公式計算得出的KIC值為32.03 MPa·m1/2,與CTOD試驗線性擬合曲線的KIC值32.02 MPa·m1/2高度吻合。
　　進一步將系統應用于對高速列車底架的主要部位疲勞壽命預測,采用低頻疲勞試驗測試了A7N01P-T5的母材,削平余高焊件與帶余高