焊接結構抗疲勞設計
關注創建者：匿名 創建時間：2021-11-09
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焊接結構抗疲勞設計過程中的認識誤區
從結構制造特點的角度看，由于焊接結構具有連接性好、重量輕、易于加工、便于采用自動化生產等優點，在長期承受靜態或動態載荷的復雜裝備領域得到廣泛應用，特別是焊接工藝技術的不斷推陳出新，更是顯著地提升了焊接結構在這些產品中的應用地位。但是焊接結構還有不足的一面，即：承受動載荷的焊接接頭，由于其幾何不連續性而導致應力集中，因而焊接結構成了產品結構可靠性的薄弱環節之一。
面對焊接結構疲勞失效的問題，多少年來包括軌道車輛在內的各個制造行業一直在努力治理，并取得了一定進展，確保了焊接結構的服役安全，但目前依然存在一些認識上的誤區，如果我們能夠從這些這些認識誤區中盡快地走出來，效果將可能更加顯著。
誤區一：將金屬材料抗疲勞強度設計的理論與方法不加區分地用于焊接結構
該認識誤區是理論層面的。以原鐵道部1996年頒布的《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》(TB/T 1335—1996)標準為例，在這個標準的“車輛主要零部件疲勞強度評估方法”一節中，首先指出：“本方法是鐵道車輛主要承載零部件或構件的疲勞分析指南，適用于各型鐵道車輛主要承載零部件的疲勞評估”，可見該標準的內容并不區分被評估的對象是否為焊接結構。在該書的后面也將提到，焊接結構抗疲勞設計的理論與方法與金屬材料疲勞強度設計的理論與方法的不同，其原因是它們的疲勞破壞機理是有明顯區別的，因此二者不可互相替代。在定義疲勞壽命時，該標準認為疲勞壽命是“構件疲勞裂紋萌生壽命與裂紋擴展壽命之和”，然而在焊接結構的疲勞開裂過程中裂紋萌生對疲勞壽命的貢獻是可以忽略的。
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因此，從材料設計角度出發，探索可降解、可回收的環保型高分子復合材料較為迫切。近年來，深圳大學周學昌課題組在液態金屬液滴制備、復合材料與應用、可回收循環利用等方面進行了一些探索性研究工作，主要包括：采用聚乙烯醇作為瞬態封裝材料構建了一種基于室溫液態金屬的瞬態可回收的環境友好型柔性電子（Adv. Funct. Mater., 2019, 1808739）；使用石墨烯包覆液態金屬液滴，制得一種具有高導電性的液態金屬液滴，并成功應用于可活動、可回收、可變形的軟接觸電極及運動方向監控器件（Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1706277）。這些前期探索工作主要解決了宏觀尺度的液態金屬圖案和毫米級以上液態金屬液滴的回收利用問題。然而，對于填充了微納尺度液態金屬液滴的復合材料，它的回收利用仍是一個挑戰性的問題。
近日，深圳大學周學昌課題組通過采用Diels–Alder(DA)動態共價鍵交聯的聚氨酯彈性體作為聚合物基底，以微納米液態金屬液滴作為功能性填料，制備了一種可回收的多功能柔性液態金屬彈性體復合材料（圖1）。
圖1. 液態金屬液滴聚氨酯彈性體復合材料的制備。
由于微納米液滴是分散在高分子材料中，液滴之間是不連通的，因此該復合材料起初是電絕緣性的。文章提出了通過“機械訓練”的方法，讓液滴間形成穩定的連接通道，使材料獲得導電性，從而實現了從絕緣體到導體的轉變。經過“機械訓練”后的導體可經受10000次的抗疲勞拉伸測試，且表現出優異的電學穩定性以及抗機械疲勞性。通過該方法還可以調控材料的區域導電能力，從而設計出出各項異性導電材料。此外，DA鍵的動態性質以及液態金屬液滴的光熱轉化效應賦予了該材料具有光致可焊性，可實現電路的重構與修復。
展開 這是Battlle結構應力法Fe-safe(Verity)焊接結構疲勞評估的一個成功案例，附件中有理論基礎資料、國內外相關論文、從ABAQUS計算動態應力導入Fe-safe的方法。更多資料可討論交流分享。
Battlle結構應力法Fe-safe(Verity)疲勞評估案例.jpg
改進結構焊縫疲勞壽命計算結果.jpg
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焊接結構疲勞強度理論2.rar
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我將為您逐一解析這五大航空航天仿真領域。
核心結論速覽表
前 言
焊接工藝廣泛應用于機械、建筑、船舶、航空航天等領域，是連接材料的關鍵工藝之一。通過加熱、加壓或兩者結合的方式，使金屬或非金屬材料在局部形成原子或分子間結合。焊接工藝會直接影響結構的強度，因此如何準確評估焊接工藝對結構性能的影響成為關鍵因素。隨著數值計算工具功能的日益強大，焊接結構的強度分析趨向于基于FEM計算工具完成全流程評估的方向，即首先基于FEM完成焊接仿真，然后將焊接仿真的殘余應力導入結構分析中
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