三点弯钎焊接头裂纹扩展数值模拟.pdf

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1、第4l卷第6期化工机械779三点弯钎焊接头裂纹扩展数值模拟事陈兴“周帼彦舒双文王琼琦朱奎龙(华东理工大学机械与动力工程学院承压系统与安全教育部重点实验室)摘要为了研究钎焊接头裂纹起裂和扩展规律，利用内聚力模型模拟三点弯钎焊接头裂纹扩展过程。通过试验得到钎焊接头起裂时所能承受的最大栽荷为l364．83N，与模拟值l392．29N很接近。在裂纹扩展阶段，通过试验得到的裁荷一张开位移曲线与模拟结果吻合较好，说明内聚力模型可以很好地预测三点弯钎焊接头裂纹扩展过程。关键词板翅式回热器三点弯钎焊接头内聚力模型裂纹扩展中图分类号TQ052．5文献标

2、识码A文章编号0254-6094(2014)06-0779-05为了提高循环效率，高温气冷堆通常使用单位体积换热面积大、传热效果好的板翅式回热器来预热氦气。板翅式回热器中板翅结构的钎焊焊缝具有夹杂及气孔等诸多缺陷，是回热器中最脆弱、最容易形成裂纹的区域。张青科等对奥氏体不锈钢钎焊焊接面裂纹形成机制进行了试验研究，结果表明真空钎焊可以较好地抑制裂纹的形成⋯。沈春来对单个钎焊翅形结构进行了强度分析，结果表明钎缝厚度和钎焊温度是影响钎焊结构强度的主要因素旧J。但目前对钎焊接头的研究主要集中在钎焊工艺优化方面p’7。，而对钎焊接头裂纹扩展规律

3、的研究还鲜有报道。由于钎焊焊缝通常很薄(小于1001zm)，因此试验法很难研究钎焊接头的裂纹扩展特性。近年来，随着计算机技术的不断发展，有限单元法的日益成熟为断裂力学研究提供了新途径。19世纪60年代，RiceJR提出使用J积分来表征裂纹尖端的应力场强度¨1，但J积分法只能用来模拟裂纹尖端的应力场，并不适用于模拟裂纹的扩展过程。扩展有限元法(XFEM)形成于20世纪90年代，可用于模拟裂纹沿任意路径的扩展，但目前XFEM技术还不够成熟，需要在模型中预制初始裂纹，因此不能模拟裂纹的起裂。1994年Needle．manA在前人研究的基础上

4、提出了基于牵引力分离法则的内聚力模型，该模型假设裂尖的牵引力是分离位移的函数，从而避免了线弹性力学中裂纹尖端的应力奇异性，且使用时不需要预制裂纹源，可以很好地模拟界面裂纹的起始和扩展过程，目前已经广泛应用于土木、胶黏剂、地质及复合材料等领域一“⋯。笔者将内聚力模型引入钎焊接头裂纹扩展研究中，使用ABAQUS有限元分析软件模拟三点弯钎焊试样的裂纹扩展过程，进而分析钎焊接头裂纹的扩展规律，为此类接头的安全服役提供理论依据。1内聚力模型内聚力模型基于损伤力学观点，认为在裂纹尖端存在一个微小的内聚力区。内聚力区的尺寸是一个很小的常数，并且与加

5、载方式无关¨“。可以认为，内聚力区是从材料开始损伤到形成微裂纹的区域(图1)。在这个区域内，材料在张力作用下被逐渐拉伸的过程中会出现微孔洞及微裂纹等缺陷，造成结构承载力下降。这些独立的缺陷逐渐增大并相互连结形成大的缺陷，最终扩散到整个承载面，致使材料产生裂纹形成新的裂纹尖端，使裂纹向前扩展。+国家自然科学基金项目(50905060，50835003)和中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(WGl21402)。}{陈兴，男，1990年1月生，硕士研究生。上海市，200237。780化工机械2014正图1内聚力区简化示意图在内聚力区内，

6、通常视牵引力r为裂纹上下表面分离位移占的函数，即牵引力一位移法则¨“：T=八6)。双线性牵引力一位移法则是一种简单且有效的内聚力模型法则。在内聚力区内，应力值随着分离位移的增大而增大：当应力达到临界值盯⋯时，内聚力区开始出现损伤，应力值随之下降；当应力值降为0时，该处材料不再具有承载能力，即发生裂纹扩展。对于多向混合开裂，双线性内聚力模型的控制方程如下：东ITt6。，，，(占。．r≤扎一)仃篡，搏n。>屯，)吒·“五■瓦“屯^IⅫ⋯-rJ式中r。．，——各向应力；盯。max．，——各向损伤起始应力；残。——各向损伤起始张开位移；6：．

7、。——各向开裂位移。双线性内聚力模型牵引力一位移曲线所包围的面积为内聚能G。．。，当内聚力单元完全破坏时，内聚能达到其临界值G：。。：G：．。=—_1盯：≥。·6。．。2有限元模拟2．1有限元模型笔者在ABAQUS有限元分析软件中建立钎焊接头三点弯试样的有限元模型。为了减小有限元模型的规模，支撑滚柱和上压头采用解析刚体。316L不锈钢的弹性模量E为199GPa，泊松比肛为0．3；BNi．2钎料的临界内聚能G，为16．17kJ／m2，损失起始应力or⋯为25MPa_引。不锈钢母材使用平面应变单元CPE4R进行划分。考虑到钎缝厚度与母材尺

8、寸相比非常薄，笔者将裂纹沿着钎缝的扩展视为界面开裂，并利用内聚力单元来模拟钎焊焊缝的开裂行为。相关研究认为使用2～5个内聚力单元对应一个母材单元比较合理。161”。，笔者采用一对四的方式进行网格布置，即1个母材单元对应4