铝合金Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展路径模拟分析

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摘 要:应用Franc2D/L对铝合金AA2024-T351的搅拌摩擦焊焊区进行Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展分析,模拟分析焊接板材在进行0°、30°和60°方向的加载条件下,焊区裂纹扩展路径。结果表明: 模拟计算与实验结果吻合较好,表明Franc2D/L分析复合型裂纹扩展路径具有可行性。

关键词:铝合金;Franc2D/L;搅拌摩擦焊;Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹;裂纹扩展路径

Numeric analysis on crackpath of Mixed Mode Ⅰ/Ⅱin aluminum alloy

WANG Li1, YANG Bang-cheng1, NIU Li-ping2,ZHU Xiang3

(1.Faculty of architectual engineering,Kunming University of Science and Technology,650093,China;

2.Insitute of Architecture and Design, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,430074,China;

3.Yunnan Urban construction supervision company Iimited,Kunming,650034,China)

Abstract: The analysis on mixed modeⅠ/Ⅱcrackextension is completed in aluminum alloy AA2024-T351 friction stir welding joints, under0°、 30°、60°loading angles. The results showed that: numeric calculation is well consist with the experimental results, Franc2D / L is feasible for analysis on mixed mode crack path.

Keywords: aluminum alloy;Franc2D/L;Friction Stir Welding;Mixed modeⅠ-Ⅱ;crack path

引言

实际工程构件中,裂纹大多是复合型裂纹。复合型裂纹断裂问题是工程上要解决的重要课题,其主要要解决的问题是裂纹开裂角的大小及裂纹扩展路径。但是由于复合裂纹体的特殊性,目前为止,对其研究仍然发展缓慢,还没有针对弹塑性材料十分恰当的理论提出。数值分析的发展,为复合型裂纹扩展研究提供了新的方法。

铝合金搅拌摩擦焊接的复合型断裂极其复杂,对其进行数值分析难度极大。主要由于材料的特殊性及数值分析条件的局限性,使这一方面的研究亟待发展,目前鲜见相关的文献报道。由美国Cornell大学断裂工作组开发的Franc2D/L[1]专业断裂分析软件,具有自动划分网格及裂纹尖端网格自动加密功能,克服了其他有限元软件在分析过程中要不断手动重划网格的缺点。较之ANSYS等大型有限元软件在断裂分析方面,具有操作简便、兼容性好以及计算精度高等优点,为断裂分析提供很好的平台。这里尝试应用Franc2D/L对铝合金AA2024-T351母材及搅拌摩擦焊接[2][3]在焊接参数如表1所示的焊区进行Ⅰ-Ⅱ复合型(30°、60°加载)裂纹稳定扩展的路径进行分析,并于试验[4][5]结果相对比,研究不同加载条件下,裂纹扩展路径与裂纹长度的变化关系。初步证明采用Franc2D/L AA2024-T351进行Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展线弹性分析的可行性。

1 试验

试件采用的Arcan试件是从厚度为6.35mm、长度为1.2m、宽度为0.61m的AA2024-T351用搅拌摩擦焊接工艺(对焊)后的板材上切割而成,试件尺寸(见图1),采用焊接参数见表1。

表1 AA2024-T351搅拌摩擦焊接参数

焊接速度(mm/s)1.28

搅拌头转速(rpm)215

功率(W)2148

焊接每毫米需要的能量(J/mm)1680

每转焊接长度(mm)0.36

在MTS材料试验机上通过位移控制来实现对Arcan进行加载。试验由0°,30°,60°加载情况来实现I型和两种复合型裂纹扩展。裂纹扩展路径分析结果见图2。

2 应用Franc2D/L分析

2.1 建模

对母材及焊接参数的板材建立网格模型,模型尺寸与实验的模型尺寸一致(见图4)。分析中采用六节点三角形等参元,在裂纹动态扩展中裂纹尖端网格再划分时采用1/4节点奇异单元(见图5)。

2.2 材料参数设置

模型导入Franc2D/L中,开始前处理,分析类型采用平面应力分析; 确定材料相关参数,分三个部分:材料1是Arcan夹具,其材料属于工具钢,可视为线弹性材料。弹性模量E=210×103MPa,泊松比μ=0.3;材料2是Arcan试件中母材部分,即AA2024-T351。AA2024-T351铝合金是弹塑性材料,设定其材料性质时选择MATERIAL-VON MISES,引入材料的本构关系。材料3是焊接区域,由焊接区取出的微试件进行单向拉伸,确定其本构关系,如图6。泊松比μ,母材取μ=0.3,焊区取μ=0.32。

在夹具上给定约束与载荷。加载方式与实验过程相同,采用位移控制分步加载。实验与计算中,采用裂纹稳态扩展时距裂尖某一定特定距离(1mm)处计算临界COD(记为:δC1)。以此处的裂纹扩展临界值COD(δC1)作为材料裂纹扩展的断裂韧度。则裂纹扩展判据为:

δ=δC1(1)

式中,δ1为I型裂纹稳态扩展时距裂尖1mm处临界COD计算值。COD是指裂纹尖端张开位移。

3 计算结果

通过计算及数据处理,便得到不同加载情况下裂纹扩展路径如图7、8、9所示。

4 结果分析

4.1 裂纹扩展路径分析

由图7结果可看出,0°加载是为纯I型裂纹,裂纹沿预裂纹方向扩展,开裂角为0°。

30°、60°加载时裂纹从预裂纹尖端开始扩展便不再沿着预裂纹所在方向扩展,出现了偏角。裂纹偏离预裂纹方向的角度随加载角度的不同而不同,(30°加载时,焊区内开裂角为30°;60°加载时,焊区内开裂角为50°,但进入母材后偏离角度为41°)。如图8、图9所示。60°加载时其开裂角比30°加载时大很多,但开裂角度和加载角度不成线性关系。图8中显示出,30°加载时裂纹扩展到a=25.4mm时达到了焊缝与母材的交界点,当a超过15.24mm时裂纹已经从焊缝区域扩展到了母材区域。

当裂纹从一种材料进入到另一种材料中时,其裂纹扩展路径也会有所变化,这主要是受到材料本身的性质的影响,与材料的弹性模量E及泊松比μ也有关系。

从图8、9中可以发现,裂纹在扩展过程中,裂纹的上下裂纹面左右方向发生了错动。还可以看出,加载角度越大,扩展相同阶段其裂纹面的错动越大。此现象完全体现了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展的特点。

4.2 模拟结果与试验结果对比

由图2、3、7、10、11可见,在母材内0°、30°和60°的计算路径,与实验路径之间吻合较好。在焊接区内0°、30°和60°的计算路径,在a=5.08mm(焊核内)与实验路径之间比较一致。离开此区间后分析有一定的误差,可能是因为裂纹进入热影响区及焊接区边界,受晶粒重结晶和第二项颗粒重新分布的影响。如图9所示。

5 结论

复合型裂纹扩展过程中,采用不同的加载角度得到的裂纹扩展扩展路径是完全不同的,而且裂纹扩展路径还取决于材料的性质,对焊接材料来说,焊区的尺寸、加载角度的大小,都会决定裂纹扩展路径的方向。本文的研究初步证明了采用Franc2D/L进行Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展线弹性分析的可行性。

参考文献

[1]Cornell Fracture Group.FRANC2D/L User’s Guide[EB/OL].2006-12-23.www.cfg.cornel1.edu.

[2]杨邦成,郭荣鑫,程赫明.铝合金摩擦搅拌焊接焊区的Ⅰ/Ⅱ型复合断裂研究[J].昆明理工大学学报(理工版),2005,8:78-82.

[3]Sutton MA, Yang B(杨邦成), Reynolds AP, Taylor R. Mode I fracture and microstructure for 2024-T3 friction stir welds[J]. Materials Science and Engineering .A,2003,354:616.

[4]刘宝琛.实验断裂、损伤力学测试技术[M].机械工业出版社,1994,9.

[5]胡子学.白光散斑结构变形测试技术[J].低温建筑技术,2006,(6):72-74.