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铝合金材料具备轻质高强的特点,是航天器结构设计的首选材料,且航天结构的主要连接方式是焊接。工程设计人员一般采用强度准则保证焊接接头不发生失效,然而工程实践中存在着满足强度准则的焊接接头发生失效的现象。究其原因,发现焊接接头局部区域变形过大导致失效,因此对焊接接头的失效机理及失效准则进行研究,旨在提出新的设计准则指导焊接接头的设计,具有一定的理论意义和工程价值。 以航天领域常用的铝合金材料为研究对象,采用实验测试、数值仿真和理论分析相结合的方法分析了焊接接头不同区域的材料力学性能、变形特点和整体延伸率,探索焊接接头的失效机理和失效准则。主要研究内容如下: (1)对铝合金焊接接头不同区域的力学性能进行实验研究,采用超声波探测实验、纳米压痕实验和微拉伸实验,得到铝合金焊接接头不同区域的材料力学性能参数,包括弹性模量、屈服极限、强度极限以及延伸率等。 (2)基于实验数据,采用数值仿真和理论分析的方法,对焊接接头不同区域的变形和整体延伸率进行分析,采用Matlab软件编写了简易的理论计算软件,数值仿真和理论结果相互支持、相互验证,确保数据的可靠性。 (3)通过对大量数据的分析,得出结论:焊接接头在线弹性阶段的变形主要受弹性模量影响,变形小且均匀;进入屈服后,焊缝中心区的变形较大,对焊接接头的贡献率达到过渡区的2倍;焊接接头在轴向平均应变达到母材延伸率30%左右时发生失效,是焊接接头发生低强度失效的主要原因。 (4)根据失效机理确定失效准则。a)应变失效准则:焊接接头的轴向平均应变超过母材延伸率的37%(相同材料拼焊接头)或23%(不同材料拼焊接头)发生失效;b)应力失效准则:焊接接头的最大Mises应力超过母材屈服极限的58%(相同材料拼焊接头)或37%(不同材料拼焊接头)发生失效。根据失效准则提出了焊接接头的强度条件。