FSW焊缝中残余应力完整力学表征及对裂纹转折影响机理研究

Residual stress is the basic mechanic problem of friction stir welded (FSW) structure. Mechanism of effects of its profile in FSWed joints on stress of crack tip and crack turning is not clear, which restrains integral analysis of FSWed integral structure. This proposal focus on residual stress of FSWed joints; uses the neutron diffraction method to measure integral profiles of residual stress in FSWed panels and establishes its integral mechanical expressions and its relationship with weld parameters and conditions; investigates the integral expression of residual stress and its mechanism; builds its effect on the main parameters of crack tip stress; studies constitutive and damage evolution laws of friction stir welded zones and its effects on residual stress profiles; explores the coupling mechanism between residual stress and applied fatigue load and its effect on mechanical property of joints; develops the integral expression of residual stress and analysis method of residual stress influence on crack turning; and explores to build fatigue life prediction method of FSWed structure based on residual stress factor. The findings of this project are believed to provide a mechanical method of FSWed joint damage and integral analysis, and to provide a scientific and fundamental mechanical basis for applying FSW technology in aeronautical and astronautical and structures.

残余应力是搅拌摩擦焊接（FSW）结构所固有的力学基础问题，其分布对FSW焊缝中裂尖应力场及裂纹转折影响的力学机理尚不清晰，严重制约着FSW焊接整体结构完整性分析。本项目以FSW焊缝残余应力为研究对象，通过中子衍射法等试验研究建立残余应力与焊接参数和边界条件的关联机制，开展残余应力的完整分布力学规律及力学表征基础机理研究，建立其对裂尖应力场主控参数影响机制的力学理论基础，研究焊缝各区损伤累积本构特征及其对残余应力的影响机制，探索残余应力与疲劳载荷的耦合作用及其对焊接接头力学性能的作用机制，发展FSW焊缝残余应力完整分布的力学表征方法及其对接头裂纹转折的影响机制分析方法，探索构建基于残余应力因子的FSW焊接结构的疲劳寿命预测模型，为FSW焊缝损伤及完整性分析提供力学分析方法，并为FSW焊接壁板在航空航天结构上的应用提供力学理论基础和依据。

随着焊接技术在飞机等大型结构中的快速应用，残余应力的分布规律及其对疲劳损伤的影响机制需要深入细致研究。残余应力分布对FSW焊缝中裂尖应力场及裂纹转折影响的力学机理尚不清晰，严重制约着FSW焊接整体结构完整性分析。针对残余应力的分布规律及其对裂纹扩展和转折的影响，本项目开展了以下研究工作： 明确了FSW焊缝中残余应力分布影响因素与规律；建立了FSW残余应力的完整力学表征形式与力学机理；研究了FSW焊缝残余应力的方向性对裂尖断裂损伤影响力学机理与规律；刻画了FSW焊缝本构损伤累积力学机理及其对残余应力分布特征影响机理；研究并明了了FSW残余应力对裂纹转折力学主控参数影响的力学基础机理。在本项目的资助下，课题组积极和国内外专家进行合作交流，在全国力学大会组织分会场，参加国内外会议共9次，邀请国内外同行进行了5次的学术交流研讨活动，并做多次邀请报告，发表SCI/EI论文10篇，发表会议论文7篇，还有多篇SCI文章已投稿在审中，更多成果有望出来；编写程序5套； 博硕士学生培养情况：博士3名，其中1名博士生（王飞）论文通过初审在外审预计，另外2名博士生（郭妍宁和张修硕）还在继续本项目深入扩展研究中，预计明年博士毕业；培养已毕业硕士生6名（赵振强，夏仲纯，胡海威，杜永华，许盼福，李江），另外2名硕士生（苟磊，马良）目前在读，将于明年毕业。团队年轻教师培养情况：2016年12月从新加坡引进黄玮副教授，从事疲劳断裂研究；和从美国回来谢伟副教授共同组成疲劳断裂研究团队；活跃于国内外疲劳断裂领域，进行疲劳断裂的深入研究和扩展。目前，本团队正和国内飞机设计研究所合作，将本项目研究成果应用与具体飞机整体焊接结构的损伤容限分析和完整性评估中。这些都有本项目的研究成果的转化和具体在飞机焊接整体结果的应用，为我国飞机结构的设计和强度分析提供强度理论基础、分析手段和方法。