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耐高温超高性能混凝土设计制备与性能研究

耐高温超高性能混凝土设计制备与性能研究

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作者：陈远南京林业大学

学位级别：硕士

不同于普通混凝土,超高性能混凝土的内部较为密实,这也是高强度材料的一个特性,然而,内部密实的结构,在一些特殊工作环境中,会暴露出超高性能混凝土致命的缺陷。在涉及高温、火灾时,由于温度的升高,会导致混凝土构件不同的位置产生温度... 详细信息

不同于普通混凝土,超高性能混凝土的内部较为密实,这也是高强度材料的一个特性,然而,内部密实的结构,在一些特殊工作环境中,会暴露出超高性能混凝土致命的缺陷。在涉及高温、火灾时,由于温度的升高,会导致混凝土构件不同的位置产生温度梯度,温度差会使得材料产生不同程度的膨胀与收缩,因而会导致构件内部产生裂缝。裂缝的产生会导致材料强度的迅速降低,甚至影响整体结构的安全性。除了温度梯度外,在高温条件下,材料内部由于自由水,结合水等物质分解出的水分产生蒸发,而内部致密的材料水蒸气无法通过内部孔道向外逸出,因而会在内部产生高压,从而导致内部裂缝的产生与材料的破坏。基于此,本文在最大密实度理论的指导下,结合正交试验的方法,通过使用铝酸盐水泥(Calcium Aluminate Cement,CAC)与普通硅酸盐水泥(Ordinary Portland Cement,OPC)作为不同配合比所使用的胶凝材料,集料分为刚玉(氧化铝)与石英砂,共设计了四组配合比,并加入S105级矿渣,粉煤灰与硅灰,抑制铝酸盐水泥后期的强度退化。为了最大程度降低温度梯度对材料产生的影响,掺入3 vol.%的细直镀铜钢纤维(Steel Fiber,SF)以传递热量。聚丙烯纤维(PP)的掺入,可以在温度升高至180-190℃后,通过纤维融化而留下的孔道,提升温度升高时水蒸气的逸散,减小内部压力。试块养护到期后,为模拟高温、火灾等环境,使用高温炉对试块进行高温加热,设置常温组(20℃)作为对照组,其他试验组分为250℃、500℃、750℃与1000℃,随后对试块进行静力学实验,包括立方体抗压强度试验,轴心抗拉实验,抗折试验,并采用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)进行动态抗冲击性能试验。使用环场电镜对试块进行内部微观结构观测,采用XRD测试不同温度条件下,不同配合比产物的晶相变化。使用CT扫描,对高温后材料内部孔隙率进行研究与可视化表征。通过对以上试验的数据进行分析,可得出以下结论:(1)随着温度从20℃向1000℃升高,铝酸盐水泥试块能够保持完整性,表面未产生裂缝,除了少数抗拉试块发生翘曲并于表面产生少量细小裂缝以及抗动态冲击圆柱试块与棱柱体抗折试块表面也产生少许小裂缝外,立方体抗压试块未产生裂缝,表明所设计的配合比具有优异的抗高温剥落性能。(2)分析不同阶段的质量数据可得,配合比M在20-500℃之间质量损失率较大,当温度超过500℃后,平均质量损失率从6.49%下降到2.49%,说明在温度达到500℃后,试块内部的自由水与结合水大部分蒸发逸出。配合比M-M在温度从20℃到500℃的升高过程中,平均质量损失率分别为7.53%、6.10%与7.33%。(3)对10cm立方体试块进行抗压性能测试并得出抗压强度与应力-应变曲线,所有试块在250℃加热后,其抗压强度较20℃时有提升,配合比M、M、M与M的平均抗压强度从152.94MPa、149.21MPa、141.12MPa以及135.02MPa分别提高至172.99MPa、164.39MPa、153.56MPa以及149.05MPa。当温度达到500℃时,铝酸盐试验组抗压强度相对于20℃对照组未明显下降,配合比M与M的强度为161.89MPa与149.94MPa,而硅酸盐组M与M抗压强度均值为129.01MPa与121.74MPa。当温度达到1000℃时,配合比M抗压强度由20℃时的152.94MPa下降到54.97MPa,下降幅度达64.06%。(4)轴心抗拉试验结果表明,在250℃时,配合比M-M的抗拉强度分别从9.62MPa、9.34MPa、8.71MPa以及8.54MPa增长到10.68MPa、10.11MPa、10.17MPa和9.31MPa。在500℃加热后,M-M的轴心抗拉强度分别为8.45MPa、7.56MPa、6.95MPa和6.54MPa,较常温时的强度都有下降,但是硅酸盐水泥组的强度损失更大。当温度达到1000℃后,配合比M的破坏为完全断裂破坏,内部钢纤维完全被氧化,失去粘结性,且抗拉强度由20℃的9.6MPa下降到3.48MPa,降幅为63.75%。(5)配合比M至M的抗折强度分别从常温时的44.75MPa、41.51MPa、39.23MPa以及35.64MPa提升到250℃时的49.71MPa、47.46MPa、44.14MPa以及40.49MPa。而当温度提升到500℃时,由于试块表面裂纹的出现以及钢纤维与UHPC基体之间粘结力的破坏,配合比M-M的抗折强度分别为36.59MPa、33.57MPa、28.96MPa以及25.47MPa;在1000℃加热后,抗折强度只有13.64MPa。(6)使用分离式霍普金森压杆进行抗动态冲击性能测试,整体表现出明

关键词：耐高温UHPC 铝酸盐水泥静力学性能抗动态冲击微观结构

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基于纤维定向成型技术的超高性能混凝土制备及静、动态力学性能研究

基于纤维定向成型技术的超高性能混凝土制备及静、动态力学性能研...

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作者：张仔祥南京林业大学

学位级别：硕士

超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC),是一种抗压强度大于150MPa、抗拉强度大于7 MPa的新一代建筑材料。UHPC具有超高强、高韧和高耐腐蚀等优异性能,因此广泛应用于各种对力学性能具有极高要求且极端残酷环境要求的... 详细信息

超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC),是一种抗压强度大于150MPa、抗拉强度大于7 MPa的新一代建筑材料。UHPC具有超高强、高韧和高耐腐蚀等优异性能,因此广泛应用于各种对力学性能具有极高要求且极端残酷环境要求的工程条件下,如大跨度桥梁、超高层建筑、军事防护设施、核电站安全壳、油气管道等。虽然目前UHPC抗压强度高达150 MPa,仍未能摆脱传统混凝土拉压强度比值低的特征,即使掺加了大量的微细钢纤维,仍难达到抗压强度的1/10。因此,研究如何提升UHPC的抗拉与抗折性能,是进一步挖掘UHPC性能潜力的重要科研方向。本文提出了一种纤维定向成型技术,可以显著地提高UHPC的抗拉与抗弯性能,取得以下创新成果:一、提出纤维定向成型的学术思想,并证实纤维定向成型浇筑UHPC的有效性与可操作性。在分析国内外纤维定向技术的基础上,结合混凝土3D打印技术,对纤维定向增强UHPC薄板梁的可行性进行了论证,提出了纤维定向成型UHPC的方法;通过试验得出了最适宜的超高性能混凝土低水胶比配合比和浆体流动性,确定了定向成型的最优纤维类型、纤维尺寸和最佳纤维掺量。并利用此浇筑工艺成型了三种纤维掺量的抗压抗折试块、抗弯试块、轴心抗拉试块与抗动态冲击压缩试块。二、系统研究了纤维定向增强UHPC的静力学性能基于上述制作的多种纤维定向增强UHPC试块,系统研究了其静力学性能。通过万能试验机进行抗压抗折试验,得出以下结论:(1)随着纤维掺量的增加,UHPC的抗压强度直线上升,但纤维取向性对试块抗压强度的提升幅度较小;(2)随着纤维掺量的提升,UHPC试块的抗折强度显著提升,从基准配合比的20.8MPa,到纤维掺量为4%时已达到了42.13MPa,提升了102.5%;(3)纤维掺量相同的条件下,纤维定向试块相比未定向的提升更为明显,在纤维掺量为2%时,抗折强度提升了45.6%,在纤维掺量为4%时提升最大,从纤维未定向试块的42.13MPa提升到了83.19MPa,提升了97.46%;在薄板抗弯试验中,得出了七组工况下的试块四点抗弯荷载-挠度曲线,通过分析应力应变曲线与其他参数,得出以下结论:(1)在稍大尺寸的抗弯试块中,纤维掺入依然是最高效直接的提升抗弯强度的方式,随着纤维掺量的增加,试块抗弯强度同样持续上升,从基准配合比的10.42MPa到掺入4%纤维状况下提升到了26.4MPa,提升了2.53倍,但纤维掺入对性能的提升是有上限的,当纤维掺量从4%提升到6%时,强度不再上升;(2)纤维定向对薄板试块的抗弯强度提升同样有效且较为显著,相同纤维掺量下最高的强度提升同样为4%掺量纤维试块,从26.4MPa提升到了53.39MPa,提升超高100%;为测试纤维定向UHPC的轴心抗拉性能,制作出“狗骨头”状试块,通过定制万向转动夹具进行轴心抗拉试验,计算处理得出7组轴心抗拉应力应变曲线。在未定向条件下,随着纤维掺量的提升,试块轴心抗拉强度不断随之上升;在定向纤维条件下,随着纤维掺量的提升,试块轴心抗拉强度呈现先上升后下降的规律;横向对比的角度来说,纤维掺量在2%与4%时抗拉强度对于纤维是否定向的敏感性极大,如纤维掺量4%时,纤维定向试块比未定向试块抗拉强度提升了65.25%,但纤维掺量在6%时抗拉强度对于纤维是否定向的敏感性较小,纤维定向试块仅比未定向试块抗拉强度提升了19.67%。三、对纤维定向对UHPC在动态力学性能方面的影响做出分析首先,和普通超高性能混凝土一样,纤维定向UHPC试块在动态冲击压缩试验中表现出较为典型的应变率效应,即随着应变率的增大,试块的动态冲击应力峰值也增大。另外钢纤维的掺入极大的提升了基准配合比混凝土的动态冲击力学性能,通过对比纤维定向UHPC试块冲击压缩试验后的破坏形态图,证实纤维定向使得混凝土材料更具各向异性,同时能够在预设方向上得到极大的强度提升。需要提到的是,在静力学性能的分析中,4%掺量的试块表现出了最优的力学性能,当纤维掺量继续增加,由于流动性变差,基体密实度变差,各项力学性能反而下降;但在动态冲击压缩试验下,随着纤维掺量的增加,冲击压缩应力峰值、抗多次冲击压缩能力、吸能性能等不断上升,展示出了纤维增韧在动态冲击压缩试验中的贡献重要程度。四、纤维取向表征通过X射线CT扫描纤维定向UHPC薄板试块,利用软件模拟出基体中纤维中心线3D模型,通过数据定量分析纤维定向表现。证实了所有配合比中纤维分散状况均匀良好,未出现沉底、结团等现象,侧面印证了配合比设计中对于浆体和易性的成功把控;各配比在定向打印浇筑下,都展示出了极高的纤维定向规律,纤维与浇筑方向夹角严格控制在了20度以内。

关键词：超高性能混凝土纤维定向增强静力学性能动态力学性能纤维分布3D模型

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仿真砼特性及其在桥梁模型试验中的应用研究

仿真砼特性及其在桥梁模型试验中的应用研究

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作者：邵展西南交通大学

学位级别：硕士

介绍了深水桥梁建设现状以及桥梁模型试验的必要性,并对模型试验和模型材料的研究现状进行研究对比。选择仿真混凝土材料作为本文的主要研究对象和模型桥墩振动台试验的材料。对仿真混凝土材料的弹性模量测量方法进行了分析研究,选取全... 详细信息

介绍了深水桥梁建设现状以及桥梁模型试验的必要性,并对模型试验和模型材料的研究现状进行研究对比。选择仿真混凝土材料作为本文的主要研究对象和模型桥墩振动台试验的材料。对仿真混凝土材料的弹性模量测量方法进行了分析研究,选取全标距法作为其弹性模量测试方法。研究了仿真混凝土材料的抗压强度、弹性模量和峰值应变随养护龄期的变化规律;材料的劈裂抗拉强度随养护龄期的变化规律以及不同试件尺寸对材料劈裂抗拉强度的影响;材料抗剪强度和断裂韧度随龄期的变化规律,并考虑不同缝高比对材料断裂韧度的影响。对比研究了常用的动弹性模量确定和测试方法,分析动弹性模量随材料龄期的变化规律,以及悬臂长度对其测试结果的影响,同时研究了动、静弹性模量比值关系随材料龄期的变化规律。以墩-水耦合振动台试验为基础,通过对振动台试验测试数据进行分析并辅以有限元模型计算的方式,研究了仿真混凝土在深水桥墩模型试验中的适用性。

关键词：深水桥墩仿真混凝土静力学性能动弹性模量振动台试验

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两种典型碳钢与304不锈钢MAG焊焊接接头组织与性能研究

两种典型碳钢与304不锈钢MAG焊焊接接头组织与性能研究

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作者：李星皓五邑大学

学位级别：硕士

为了满足日益复杂的工程应用要求,利用焊接方法制造异种钢构件被广泛应用在机械结构领域。现有高速动车组中部分车型箱体吊耳结构就是采用异种钢焊接成型,本论文针对构成动车组箱体吊耳结构的304不锈钢与Q235B低碳钢和Q345低合金钢,采... 详细信息

为了满足日益复杂的工程应用要求,利用焊接方法制造异种钢构件被广泛应用在机械结构领域。现有高速动车组中部分车型箱体吊耳结构就是采用异种钢焊接成型,本论文针对构成动车组箱体吊耳结构的304不锈钢与Q235B低碳钢和Q345低合金钢,采取熔化极活性气体保护焊(MAG焊)进行焊接,其填充金属是不锈钢焊丝GMS-309L,对两种异种钢焊接接头组织性能进行综合评价,探究了焊接接头组织性能与其凝固结晶方式的关系。研究成果不仅能够丰富异种钢焊接数据库,而且可为异种钢焊接工艺改进提供技术支持。两组异种钢焊接接头组织结构表征结果表明:304不锈钢侧热影响区出现明显的晶粒变大;其焊缝组织为树枝状铁素体不连续分布在奥氏体基体中;在Q235B和Q345碳钢侧,其组织较为复杂,热影响区含有魏氏组织、铁素体、针状铁素体和珠光体,而且在碳钢侧熔合线处形成了一层黑色富碳层和锯齿状“Type-Ⅱ”晶界。EBSD结果表明熔合区晶粒垂直于熔合线方向生长,在焊缝中心处有平行于ND方向的晶粒汇集区。焊接接头EDS元素线扫描表明在碳钢熔合线附近Cr、Ni、Mn等元素有明显的过渡区域,且焊中的过渡区宽度最宽。两组焊接接头的显微硬度测试试验结果表明:两组焊接接头的显微硬度测试结果相似,接头显微硬度最低值均出现在焊缝处,最高显微硬度值出现在碳钢侧熔合线附近,这是由于该区域形成了马氏体结构。拉伸试验结果表明:304-Q235B组平均拉伸强度为534MPa,断裂位置均在焊缝中心处;304-Q345组平均抗拉强度为532MPa,断裂位置发生在HAZQ345和焊缝中心,两组焊接接头均为等强匹配。弯曲试验结果表明焊接接头各区域均无裂纹出现,具有良好的抗弯曲性能。耐蚀测试结果表明:两组焊接接头在电化学测试和EPR法测试中焊缝耐蚀能力均略低于BM304,优于碳钢母材。盐雾试验中焊缝和BM304无腐蚀痕迹,在碳钢侧热影响区腐蚀最为严重。对焊接接头的凝固结晶方式探究分析表明:两侧母材热导率不同导致熔合线形状不同,最终在焊缝中心处形成平行于ND方向的晶界汇集区,使得焊缝中心成为焊接接头中力学性能薄弱区域;碳钢侧热影响区因为距离焊缝距离不同,呈现出不同的显微组织结构,进而影响该区域的力学性能。本论文研究成果不仅可以丰富异种钢焊接接头数据库,而且可为后期异种钢焊接接头的试验研究以及现场MAG焊接工艺改进提供理论指导。

关键词：碳钢不锈钢 MAG 显微组织静力学性能耐蚀性能凝固结晶

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铝合金—泡沫金属“三明治”结构压印接头疲劳可靠性研究

铝合金—泡沫金属“三明治”结构压印接头疲劳可靠性研究

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作者：赵得锁昆明理工大学

学位级别：硕士

铝合金、镁合金、高分子材料等新型板材的广泛使用,对现有板材连接技术提出了巨大的挑战,压印连接技术作为一种机械连接方式,操作方便,对被连接材料无特殊要求,是一种极具潜力的板材连接新技术。压印连接目前仍存在诸如静强度不足等缺陷... 详细信息

铝合金、镁合金、高分子材料等新型板材的广泛使用,对现有板材连接技术提出了巨大的挑战,压印连接技术作为一种机械连接方式,操作方便,对被连接材料无特殊要求,是一种极具潜力的板材连接新技术。压印连接目前仍存在诸如静强度不足等缺陷,本文提出一种通过添加泡沫金属夹层构造铝合金-泡沫金属“三明治”结构来改善压印接头力学性能的方法。分别制备添加不同泡沫金属夹层的单搭和十字Al5052铝合金压印试件测试其拉伸-剪切强度和剥离强度,试验结果表明:添加泡沫金属夹层能有效提高压印接头的拉伸-剪切强度;通过扫描电子显微镜对拉伸-剪切失效试件和剥离失效试件的断口进行了微观形貌分析,探究添加泡沫金属夹层后压印接头失效机理变化;在静力学性能测试的基础上,制备未添加夹层及添加泡沫铜和泡沫铁镍夹层的单搭Al5052铝合金压印试件进行疲劳试验,探究泡沫金属夹层对压印接头疲劳寿命的影响,结果表明:添加泡沫金属夹层能大幅提高压印接头的疲劳寿命;疲劳失效试件的断口分析结果显示:加入泡沫金属夹层后压印接头颈部更容易出现疲劳裂纹源。通过添加泡沫金属夹层来提高压印接头的静力学性能和疲劳性能相关文献较少,因此,从安全性与可靠性方面考虑,本文还对添加泡沫铜和泡沫铁镍夹层的Al5052铝合金压印接头的疲劳寿命进行了可靠性分析,拟合出其不同可靠度下的P-F-N曲线。

关键词： Al5052铝合金泡沫金属静力学性能疲劳寿命可靠性分析

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基于蜘蛛网结构的伞状可展机构设计与分析

基于蜘蛛网结构的伞状可展机构设计与分析

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作者：张世梁长春工业大学

学位级别：硕士

在宇航工程的建设过程中,由于运载火箭受到空间的限制,许多航天设备不可能以工作时的完全状态进入太空,随着航空航天科技的发展与进步,拥有占用空间小、节约成本等优点的可展机构受到了前所未有的关注与研究,并得到了广泛的实际应用。... 详细信息

在宇航工程的建设过程中,由于运载火箭受到空间的限制,许多航天设备不可能以工作时的完全状态进入太空,随着航空航天科技的发展与进步,拥有占用空间小、节约成本等优点的可展机构受到了前所未有的关注与研究,并得到了广泛的实际应用。可展机构可以根据其工作状态的变化进行机构形态的展开与收拢,从而提升空间使用的效率,并且保持一种稳定的结构状态从而承受一定的载荷。相对于其他种类的可展机构,伞状可展机构虽然拥有更高的精度要求,但是其具有便利的展开过程与有效的承载能力。为了使伞状可展机构具有更为有效的承载能力,本文根据仿生学与机构设计的的理论与方法,通过对蜘蛛网结构外形及其承载性能的研究与分析,设计了一种以平面四杆曲柄滑块机构为可展单元的伞状可展机构,该机构结合了蜘蛛网的散力特点,具有较高的承载性能。在本文中具有以下几点主要的研究内容:首先,基于仿生学的理论与方法,提取蜘蛛网结构的外形特征和单元结构,提出了一种简化的蜘蛛网结构模型,根据蜘蛛网结构模型的结构单元提出了一种平面四杆曲柄滑块结构的可展单元,基于该可展单元设计了一种可以在空间内有效地展开与收缩的伞状可展机构。其次,通过对蜘蛛网结构承载特点的分析,确定了捕丝间距与捕丝角度两个影响蜘蛛网结构强度的变量。基于蜘蛛网结构的简化模型建立其三维模型,通过Ansys Workbench对其进行静力分析,得到其最易破坏结构的受力点。然后,基于最易破坏结构的受力点,通过Ansys Workbench软件中的优化模块对蜘蛛网结构模型的捕丝间距进行优化,得到优化后的捕丝间距比例为d:d:d=1:2.1:4;通过对单层蜘蛛网结构刚架模型的强度分析,得到蜘蛛网模型捕丝角度为7°时,其网面具有更高的强度性能。然后,基于对蜘蛛网结构模型强度性能的优化结果对伞状可展机构进行参数设计,得到强度性能最优的伞状可展机构模型,通过仿真软件对优化前与优化后的伞状可展机构模型进行仿真分析。结构表明:在相同位置受到相同载荷时,优化后的伞状可展机构的最大应力值小于优化前的伞状可展机构,其强度性能得到有效的提升。最后,根据伞状可展机构的三维模型,利用3D打印技术制造物理样机,并完成装配和调试。通过控制伞状可展机构中单个结构单元中滑块的移动,观察到样机具有良好的展开与收拢的运动过程,证明该伞状可展机构具有有效的机械性能和工业制造的可行性。

关键词：蜘蛛网结构伞状可展机构最佳比例静力学性能强度分析

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楠竹加筋复合锚杆室内试验研究

楠竹加筋复合锚杆室内试验研究

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作者：张艳军兰州大学

学位级别：硕士

岩土锚固技术是充分利用锚杆(索)具有较大刚度和强度的材料力学特性来加强或加固软弱破碎的岩体和土体,从而提高岩土体的自稳能力,最终达到工程结构物稳定的目的。岩土锚固技术已经成为了解决岩土工程稳定性问题经济、有效、快速、简捷... 详细信息

岩土锚固技术是充分利用锚杆(索)具有较大刚度和强度的材料力学特性来加强或加固软弱破碎的岩体和土体,从而提高岩土体的自稳能力,最终达到工程结构物稳定的目的。岩土锚固技术已经成为了解决岩土工程稳定性问题经济、有效、快速、简捷的方法之一。岩土锚固在能源、交通、水利以及城市基础建设中获得了广泛应用。进入到90年代,随着土遗址保护的进程不断加快、力度不断加大,怎样将锚固技术科学合理地应用到土遗址保护研究领域成为一个新课题。土遗址是指以土作为主要建筑材料的人类历史上生产、生活等各种活动遗留下来的遗迹,对其保护更强调传统方法的应用。在前期的土遗址锚固技术研究中,已经对木(竹)锚杆、钢筋锚杆(索)、钢管锚杆等进行了相应的研究,考虑到锚固的有效年限,以及对于大体量土体的锚固,敦煌研究院研制了应用于土遗址加固保护的楠竹加筋复合锚杆。本文通过室内试验研究楠竹加筋复合锚杆组成材料的物理力学性能,通过界面拉拔试验得出复合锚杆内粘结剂与钢绞线界面应力传递及分布规律。利用复合材料力学的研究方法和观点,建立楠竹加筋复合锚杆内部系统复合材料的细观力学等效模型,通过组分材料界面上力学平衡、位移连续等假定的基础上确定复合锚杆内部系统的力学传递模型。用ANSYS接触面单元模拟楠竹复合锚杆内粘结剂与钢绞线界面力学传递规律,验证试验和理论分析的正确性。本文通过室内试验研究得出楠竹的比强度为钢管的5倍,表现出轻质高强的力学特性,且内粘结剂的弹性模量与楠竹的弹性模量接近,有利于楠竹加筋复合锚杆层间切应力传递。由钢绞线与粘结剂的粘结滑移曲线可知,界面上的最大平均粘结应力随锚杆的长度符合指数衰减规律分布。根据复合材料力学理论分析得出,杆材、管材的弹性模量比值是影响层间切应力传递的主要因素,内粘结剂的剪切模量对应力集中影响较大。此外,还通过有限元分析得出了应力、变形在实体及界面上的传递规律

关键词：楠竹加筋复合锚杆土遗址应力界面传递规律静力学性能

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轨道客车301L/Q235B异种钢电阻点焊接头力学性能研究

轨道客车301L/Q235B异种钢电阻点焊接头力学性能研究

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作者：王昌坤北京交通大学

学位级别：硕士

采用301L不锈钢板制造的轻量化轨道客车,车体的主要焊接结构为不锈钢电阻点焊,但是在车体局部存在不锈钢与低碳钢(耐候钢)的焊接结构。在各种可选的异种钢焊接方法中,电阻点焊是改善焊接机械性能、降低制造成本的最佳方法。目前异种钢... 详细信息

采用301L不锈钢板制造的轻量化轨道客车,车体的主要焊接结构为不锈钢电阻点焊,但是在车体局部存在不锈钢与低碳钢(耐候钢)的焊接结构。在各种可选的异种钢焊接方法中,电阻点焊是改善焊接机械性能、降低制造成本的最佳方法。目前异种钢焊接难度大,有许多亟待解决的问题,研究异种钢点焊技术对于提升车辆装备制造水平和增强焊接结构服役性能有重大意义。本文以2.0 mm+2.0 mm和1.5mm+4.0mm301L/Q235B电阻点焊结构为研究对象,研究其静拉伸和疲劳性能、及其影响因素,测定拉伸强度和疲劳极限,分析断裂模式,并且利用有限元软件分析焊件搭接面结构应力集中对点焊接头断裂行为的影响。301L/Q235B电阻点焊熔核为非对称形结构,301L板内的熔核直径大于Q235B板,熔核硬度高于两种母材。301L/Q235B不同熔核尺寸的两组点焊接头静拉伸断裂模式均有界面断裂、拔出断裂两种。以拔出断裂模式失效的点焊接头具有更高的断裂强度和断裂位移。2.0mm+2.0mm、1.5mm+4.0mm点焊接头发生拔出断裂的临界条件分别是搭接面熔核直径为7.04mm和7.10 mm。有限元分析显示,在301L板加载端熔核边缘处Mises应力值最大,且点焊接头拔出断裂驱动力S11先于界面断裂驱动力S12到达临界驱动力值,因此301L板内的熔核被拔出。2.0 mm+2.0 mm焊件随熔核直径的增大疲劳寿命增加。升降法测得焊件50%存活率的疲劳极限为2.58 kN,疲劳极限为最大静拉伸载荷的11.2%,符合点焊结构的疲劳极限与静拉伸强度比例为10%-15%的一般规律。疲劳断裂行为是301L/Q235B双板“眉状”断裂,证明两板的承载能力相当。有限元应力分析表明,熔核尺寸较大的301L板熔核边缘的应力集中程度大大高于Q235B板,导致该部位萌生疲劳裂纹,Q235B板热影响区的塑性应变最大,从而导致该局部区域产生塑性累积应变,进而产生裂纹。在疲劳极限载荷水平下,最大等效Mises应力为338.7 MPa,低于板材屈服强度,位于301L熔核边缘。1.5 mm+4.0 mm焊件随着熔核直径增大疲劳寿命先增加后减小,寿命减小是由于焊接电流增大,301L板内熔核边缘出现凝固裂纹。焊件50%存活率疲劳极限为2.77 kN,疲劳极限为最大静拉伸载荷的12.2%。疲劳断裂为301L单板“眉状”断裂。有限元分析表明,疲劳极限载荷水平下,最大等效Mises应力为306.4MPa,位于301L熔核边缘,由于4.0 mm厚的Q235B板刚度大,抗弯能力强,减小了301L薄板的应力。1.5 mm+4.0 mm板材的疲劳寿命取决于301L薄板的疲劳寿命。

关键词： 301L/Q235B电阻点焊静力学性能疲劳性能断裂行为有限元分析

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6082-T6/真空压铸铝合金热熔自攻丝接头工艺参数优化及性能研究

6082-T6/真空压铸铝合金热熔自攻丝接头工艺参数优化及性能研究

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作者：孙圣凯湖南大学

学位级别：硕士

随着汽车轻量化进程的日益深入,铝合金材料在车身结构中的使用越来越广泛。相应地,铝合金车身结构件的连接工艺也在不断取得新的进展。其中热熔自攻丝铆接技术作为具备承载强度高、材料可用范围广以及可单面连接等优点的新兴连接工艺,... 详细信息

随着汽车轻量化进程的日益深入,铝合金材料在车身结构中的使用越来越广泛。相应地,铝合金车身结构件的连接工艺也在不断取得新的进展。其中热熔自攻丝铆接技术作为具备承载强度高、材料可用范围广以及可单面连接等优点的新兴连接工艺,已在汽车行业中得到广泛应用。本文以6082-T6/Al Si10Mn Mg真空压铸铝合金热熔自攻丝接头为研究对象,基于正交试验方法进行了接头成形质量工艺参数优化试验,获取了热熔自攻丝接头的最优成形工艺参数。以此为基础开展了接头静力学试验,探究了热熔自攻丝接头在多种工况下的强度、刚度和能量吸收特性,并分析了其准静态拉伸失效模式;通过疲劳试验获得接头在各工况下的疲劳性能,对比分析了接头在不同工况下的疲劳失效模式,借助扫描电镜进一步探究了接头的疲劳失效机理。具体的研究结论如下:(1)热熔自攻丝接头的最小衬套高度受螺钉进给速度的影响最大,随着进给速度的增大而逐渐减小;其次受穿孔转速的影响也较为明显,转速越高,衬套高度的增速越显著;拧紧扭矩对衬套高度影响较小,作用十分有限;平均螺牙深度则受拧紧扭矩的影响最大,并随扭矩的增加而增加;穿孔转速与进给速度则对其影响并不显著。结合上述规律得到采用穿孔转速8000rpm、进给速度5mm/s、拧紧扭矩11N·m的参数组合可获得具有最优成形质量的热熔自攻丝接头。(2)最优成形质量接头在三种工况下的准静态失效模式均为下板件螺纹脱落失效,但具体失效特征因载荷方向不同而差异明显。从强度、刚度、能量吸收值角度分析均表现为90°剪切工况最优,45°混合工况其次,0°拉拔工况最低的趋势;成形质量的优化对接头性能具有一定提高作用,且主要表现在纯拉拔或含有拉拔方向分量的工况中;结合硬度试验发现接头静力学性能会受到接头微区硬度与成形质量的多方面影响。(3)疲劳试验结果表明接头在90°剪切工况下表现出最优的疲劳性能,其次为45°混合工况,0°拉拔工况则最差,三者对应的疲劳极限分别为4430N、930N、600N,疲劳极限强度分别对应各自静强度的54.44%、15.10%、11.30%;宏观角度下的接头疲劳失效模式分析表明在0°拉拔工况与45°混合工况下接头均为上板件断裂失效,90°剪切工况为下板件断裂失效,结合微观疲劳失效分析可知载荷水平对接头的具体疲劳失效特征、裂纹萌生区域及裂纹扩展路径均会产生一定影响。

关键词：热熔自攻丝成形质量工艺参数优化静力学性能疲劳性能

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CFRP/6061铝合金胶铆接头的低速冲击响应

CFRP/6061铝合金胶铆接头的低速冲击响应

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作者：赵乙光华东交通大学

学位级别：硕士

近些年来,汽车轻量化一直是汽车领域节能减排的重要途径,将CFRP引入汽车车身成为降低车重的有效手段。胶铆复合连接工艺作为汽车车身薄板件的主要连接方式,可以将CFRP与金属进行有效连接。为了研究接头的冲击损伤类型以及低速冲击损伤... 详细信息

近些年来,汽车轻量化一直是汽车领域节能减排的重要途径,将CFRP引入汽车车身成为降低车重的有效手段。胶铆复合连接工艺作为汽车车身薄板件的主要连接方式,可以将CFRP与金属进行有效连接。为了研究接头的冲击损伤类型以及低速冲击损伤对胶铆复合接头静力学性能及疲劳寿命的影响,本文对不同胶层厚度CFRP/6061铝合金的胶铆接头进行了落锤冲击试验、静拉伸试验、高周疲劳试验,探究CFRP/6061铝合金胶铆接头的低速冲击响应。本文制备了0.2 mm、0.35 mm和0.5 mm三种胶层厚度的胶铆复合接头,对其分别进行5 J、10 J、20 J和30 J四种能量的落锤冲击试验,使用剖面法与SEM分析接头的冲击损伤类型。分析表明:0.35 mm胶层厚度的胶铆接头的静力学强度较好,且具有较好的缓冲吸震能力,剪切失效形式均为胶层断裂的初始失效和铆钉与上板分离的脱铆失效。三种胶铆接头对10 J及以下的冲击能量均具有良好的抗冲击性能,0.2 mm胶层厚度的接头在大能量冲击下有冲透的可能性,20 J、30 J能量冲击后,0.5 mm胶层厚度的接头更易更早的发生载荷破坏。综合分析可知,0.35 mm和0.5 mm胶层厚度的胶铆接头能较好的承受大能量冲击载荷。低速冲击损伤主要为四类:1、CFRP板的基体开裂,内部纤维断裂;2、铝合金下板的塑性变形;3、胶接区域的胶层开裂;4、铆钉移动导致的互锁性能下降。对冲击前后的胶铆复合接头进行静拉伸试验,分析接头失效的微观组织以及能量吸收值,结果表明:0.2 mm胶层厚度的接头在具有良好抗剪切性能的同时具有较好的冲击后残余强度。在10 J能量冲击后,0.35 mm胶层厚度胶铆接头的能量吸收值发生明显下降。冲击损伤未改变接头的剪切失效形式,对接头静力学性能的影响体现为接头最大剪切载荷及剪切失效位移的降低。胶层的失效形式为界面失效和胶层剪切断裂的混合失效。CFRP板中碳纤维束存在分离与径向断裂两种失效方式。选择0.35 mm胶层厚度的接头为试验对象,对其经受10 J能量冲击前后的接头进行高周疲劳试验及SEM分析,之后对胶层失效的接头进行静拉伸试验,分析胶层疲劳失效后接头的残余强度。结果表明:低速冲击损伤使得胶铆接头的胶层疲劳寿命下降,在较小的加载载荷下,疲劳寿命下降幅度变大,冲击之后接头的胶层疲劳寿命受疲劳载荷变化的影响更敏感。冲击损伤产生的细小裂纹在循环疲劳载荷作用下延伸,疲劳载荷导致胶层边缘先行剪切失效,铆接部位仍具有较好的连接性能,在靠近铆钉处的胶层发生疲劳失效。在接头胶层失效后,低速冲击对铆接部位造成的损伤使得冲击后的接头铆接部位的连接性能低于未冲击接头。

关键词：胶铆连接低速冲击冲击损伤静力学性能残余强度疲劳寿命

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