低合金钢激光焊接T型接头剪切与弯曲失效分析

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结构轻量化是节能减耗的重要措施之一。金属三明治结构板(Sandwich Panels)是目前应用较为广泛的一种轻量化结构。它是由上下两块平行面板与垂直的芯板连接而成的一种夹层结构。目前金属三明治板的加工制造主要采用激光及电弧熔焊方法,由许多焊接接头将上下面板与芯板连接起来的,因此接头的受力对于整板至关重要,可能影响着整板的刚度、强度以及最终的失效形式。本文以激光焊接低合金钢CCS-B和BS960三明治板T型焊接接头为研究对象,按其实际受力状态分别研究了剪切以及弯曲加载条件下的强度及变形失效行为。利用微距摄像技术对T型接头的加载过程进行实时跟踪拍摄,并结合有限元模拟分析进一步研究了T型接头失效行为以及受力情况;对断裂后的T型接头断口进行SEM观察,以获得其断裂类型;建立具有不同连接宽度与不同间隙的T型接头有限元模型,并对其进行弯曲模拟分析,以获得影响接头强度较为敏感的参数。研究结果表明:T型接头在弯曲载荷下服役时,其失效路径是起始于芯板中性轴上下两端焊缝连接处的间隙外侧,并随着加载的进行,逐渐向焊缝中心进行扩展;当在剪切载荷下服役时,其失效是由于芯板与面板之间的相对运动,造成连接处金属发生变形从而失效。并且对T型接头断口的SEM观察可以知道,T型接头的弯曲失效主要是由正应力与剪应力综合控制,剪切失效主要是由剪应力控制。同时在受力分析基础上分别计算了T型接头在弯曲和剪切状态下的强度,发现CCS-B三明治板T型接头的强度是高于BS960T型接头的。利用有限元软件Abaqus对T型接头的弯曲试验进行了模拟分析,通过模拟结果证明了前述的T型接头1/3屈服准则;同样针对不同间隙与不同连接宽度下的T型接头进行了弯曲模拟分析计算,当连接宽度越大,T型接头的屈服及最大弯曲载荷也越大;间隙增大,T型接头的屈服载荷减小,而对于最大弯曲强度,当T型接头处的间隙处于一个适当的数值时,此时间隙的存在会使其弯曲强度增大,因此在T型接头中,连接宽度相较于间隙对于T型接头强度的影响是敏感性参数,所以芯板与面板之间的连接宽度对接头强度有着至关重要的影响。
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