铝合金熔焊气孔与裂纹交互作用模拟

吴圣川， 喻 程， 张卫华， 薛弼一

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川 成都610031)

气孔和裂纹是铝合金熔焊接头中常见的、难以消除的缺陷，严重影响着铝合金焊接结构的服役性能. 研究发现，气孔引起的应力集中易成为疲劳裂纹的萌生源，而且气孔与裂纹之间的交互作用，将显著改变裂纹尖端的应力场［1］.

文献［2］在研究铸造铝合金的疲劳长裂纹扩展行为时，指出主裂纹优先沿铸造孔洞扩展. 文献［3］在考察气孔对短裂纹扩展的影响时发现，孔洞的存在易使周围基体产生塑性变形，形成局部应力集中，加速小裂纹扩展;当裂纹穿越孔洞后，裂纹扩展速度又会下降. 此外，当孔洞相互连接时对裂纹的影响较大.以上研究均基于断口观测.

文献［4］采用叠加原理给出了半无限裂纹与单椭圆孔洞交互作用的级数解. 文献［5］用解析的方法研究了无限大平板中内部裂纹与孔洞相互作用的问题. 但解析法推导过程过于复杂，只能适用于简单的平面问题.

为了研究气孔与裂纹的交互作用，传统有限元法需在气孔周围和裂纹尖端采用致密的网格，其建模复杂度及计算成本巨大，并且由于气孔分布的随机性，使模拟气孔与裂纹的相互作用变得更为困难. 文献［6］采用杂交多边形有限元(hybrid polygonal element，HPE［7-9］)将气孔等包含在一个任意凸多边形单元内，在远离气孔的区域仍然采用传统的单元网格，以此估计点焊接头气孔致疲劳损伤的影响. 结论如下:在拉伸和剪……