焊接结构本征疲劳裂纹扩展速率研究

The application of advanced welding technologies to fabricate aircraft structural components is recognized as one of the most promising methods to achieve further structure weight reduction and manufacture cost saving, which requires a step change in the structural integrity assessment and, consequently, sets new challenges to the damage tolerance evaluation for welded joints. Due to the coupled effects of weld residual stresses and micro-structural changes on fatigue crack growth rates and the interrelation between structural configuration and residual stresses, current crack growth analysis methods, which are based on the superposition of weld residual stresses to the base metal fatigue crack growth rate model, are not widely applicable and the accuracy of these models are not always good enough. The concept of weld intrinsic crack growth rate (ICGR) is innovated to solve this problem. The weld intrinsic property will be evaluated by isolating the effects of residual stresses and microstructure change on fatigue crack growth rate. Based on the ICGR a crack growth analysis approach for welded joints will be proposed. Furthermore, the influence of structural size and configuration on residual stress distribution will be investigated, and then, a method to evaluating the crack growth rates in welded integral components will be presented. Comparing with the currently available methods, since the micro-structure change effect is accounted for in the ICGR, the proposed method will provide a more accurate analysis tool for predicting crack growth life, and have wider applicability because the ICGR is independent of component configuration and size. The achievements of this project will bring a step change to the current evaluating method and encourage more applications of advanced welding technology in aircraft structures.

先进焊接工艺在飞机中的应用是实现结构减重和低成本的重要途径之一，这对焊接结构完整性评价提出了更高的要求，给损伤容限设计评定提出了新挑战。由于焊接残余应力（RS）和微观结构改变对裂纹扩展的影响相耦合，RS与结构构型和尺寸相关，现有利用母材裂纹扩展速率叠加RS影响的评定方法在精度和适用性上都受到限制。本研究创造性地提出了本征裂纹扩展速率（Intrinsic crack growth rate，ICGR）的概念，分离RS与微观结构改变对裂纹扩展的影响，提取出仅反映微观结构改变的本征参量，建立基于ICGR的焊接结构裂纹扩展分析方法；在此基础上，研究RS分布与结构构型及尺寸的关系，给出焊接整体结构的裂纹扩展评定方法。与现有方法相比，由于ICGR考虑了微观结构改变的影响，将显著提高预测精度；ICGR与结构构型和尺寸无关，将显著提高方法的适用性。本研究成果将为焊接在飞机结构中的应用奠定分析评定技术基础。

采用先进的焊接工艺制造大型金属整体结构是近年来大型飞机结构减重设计和节约成本的重要途径。损伤容限设计理念是保证结构安全性的重要途径，裂纹扩展分析又是损伤容限评定的内容之一。焊接结构的裂纹扩展分析的困难在于残余应力和微观组织改变对焊接结构疲劳裂纹扩展速率的影响是耦合在一起的，残余应力分布受几何构型影响，使得传统的用实验室标准试件测量的裂纹扩展速率来分析焊接结构件的裂纹扩展寿命的思路面临挑战。.针对上述问题，本项目提出了焊接本征裂纹扩展速率的概念。在符合工程实践假定的条件下，（1）分离残余应力和微观组织对裂纹扩展的影响，建立焊接结构本征裂纹扩展速率提取方法；（2）准确评估焊接件的残余应力分布并分析其对裂尖场参量的影响；（3）研究微观结构对裂纹扩展行为及裂纹尖端场参量的影响。.在研究过程中，重点对分离残余应力和微观组织对裂纹扩展影响、评价焊接整体结构残余应力分布描述方法等方面取得突破：（1）提出了一种数字图像相关技术辅助下的逐步切割、多步反推的焊接件残余应力测量方法；（2）在残余应力得以准确评估的基础上，提出了以试验手段提取焊接件本征裂纹扩展速率的方法——恒有效应力强度因子变程和有效应力比方法，采用该方法对搅拌摩擦焊接件焊缝及附近不同区域的本征疲劳裂纹扩展速率进行了研究；（3）研究了该系列铝合金晶粒分布对疲劳裂纹扩展速率的影响，进而分析焊接微观结构改变对裂纹扩展速率的影响规律。随着近年来对新型金属整体结构研究关注点的变化，本项目对焊接微观结构改变对裂纹扩展影响的研究部分，增加了材料组织对裂纹扩展行为和裂尖场变化的影响的研究，调整了部分原申请书研究内容。.本项目的研究成果将为焊接结构的损伤容限分析提供技术支撑，从而为先进连接技术在大型飞机结构中的应用奠定分析评定基础。