铝合金熔焊对接接头动载大变形及失效机理研究

车用铝合金焊接接头的动载大变形失效问题是车辆冲撞安全分析的关键问题，研究接头不均匀材料变形和破坏规律，开发相应的试验及模拟技术对优化焊接结构，提升车辆安全性能具有重要的理论意义和工程价值。本研究针对轻量车身中应用广泛的熔焊对接接头，对其动载大变形失效行为展开细致表征，利用改进型冲击卸载试验、多应力状态动载拉伸、卸载试验等新方法结合有限元计算获得不均匀材料各个微区内的本构关系和损伤参量，确定接头在不同应力状态和应变速率条件下的宏观力学特性；同时从细观角度揭示非均材料的变形和损伤演化过程，分析组织形态、加载条件对变形失效的影响规律，明确焊接接头动载失效的细观物理机制。在试验基础上提出适用于熔焊接头的非均匀材料模型。（包含连续的非线性本构关系和统一的微观损伤模型及断裂准则），代入到接头及焊接部件的有限元模拟中，通过对比模拟与试验结果，不断改进和完善模拟技术，开发出高效的有限元接头精细和等效模型。

以铝合金空间车体为代表的汽车轻量化设计已成为新一代节能环保车型的开发宗旨，其中车用铝合金焊接结构的动静载大变形失效问题是涉及轻量化车辆碰撞安全的关键问题。研究铝合金焊接接头不均匀力学性能及失效规律，从细观及宏观多尺度了解接头变形—损伤—破坏的演化过程，建立较明晰的物理模型，在此基础上开发细致准确的材料模型和有限元计算模块，对于优化车体结构设计，提高车辆碰撞安全性能具有重要的理论意义和工程价值。.围绕上述关键问题，本文开展了以下研究工作：.首先针对车用铝合金5052,6063及2A12等材料在不同应力状态下的静载及动载力学性能进行研究，采用静态、动态光滑拉伸试验、缺口拉伸试验和双缺口剪切试验以及纯剪切试验结合断口SEM观察和有限元计算等方法分析了材料变形织构引起的各向异性问题，应力状态和应变速率以及温度等因素对材料强度、塑性流变和断裂性能的影响规律。由此给出修正后的材料屈服及流变方程和损伤模型及断裂判据，并测定了相应的各向异性参数和宏、微观损伤参数，建立了典型车用铝合金的材料模型和表征方法。.其次，重点研究了该类铝合金熔焊薄板对接接头不均匀大变形力学行为。利用微穿刺试验结合有限元反向迭代计算对焊接接头中从焊缝到母材的不均匀力学性能进行了材料表征。利用网格摄像法和有限元计算对铝合金熔焊接头不均匀变形和失效过程进行研究，结合断口观察和组织分析从细观层面描述接头失效机理。.第三部分工作研究了接头有限元建模，建立了焊接接头不均匀力学区等效宽度与强度失配系数、几何参数之间的函数关系。通过接头微区表征组合，建立接头精细有限元模型，利用接头的等效宽度和等效应力－应变关系形成了对接接头的等效简化模型。.第四部分工作，采用轴向压缩和弯曲试验对薄壁方管焊接结构的大变形失效行为进行研究，分析了方管塑性变形叠缩构型和破损模式，重点研究了焊缝失效特性，计算了方管平均载荷和吸能特性，为吸能构件及焊缝优化设计奠定基础。.第五部分工作，以车体碰撞刚性柱为例，引入焊接接头简化模型，对车体空间框架结构耐撞性能进行了有限元计算，分析了在高速碰撞过程中车体及吸能构件的大变形及失效过程，获得了车体在碰撞过程中的动力学响应特性。