低溫下2219鋁合金貯箱焊接缺陷的試驗與仿真分析

梁準 張穎晗 高原 柳占立 童軍 羅嘉 李典 莊茁

低溫下2219鋁合金貯箱焊接缺陷的試驗與仿真分析

梁準1張穎晗1高原1柳占立1童軍2羅嘉2李典2莊茁1

（1清華大學航天航空學院，北京 100084；2北京強度環境研究所，北京 100076）

本文結合材料試驗和斷裂力學數值仿真，研究了運載火箭貯箱低溫下材料及焊縫缺陷對貯箱極限承載能力的影響。通過低溫光測試驗獲取了貯箱材料2219鋁合金的彈塑性本構參數，研究了該材料從4K到300K溫度環境下的斷裂韌性變化，發現2219鋁合金在4K下仍保持較高的斷裂韌性。結合77K溫度下貯箱的強度破壞試驗，建立了貯箱熱力耦合數值模型以及焊縫精細有限元子模型，利用子模型方法得到低溫下的焊縫局部應力-應變場分布，基于斷裂力學的擴展有限元數值方法揭示了焊縫處存在初始缺陷情況下的失效形式及裂紋擴展規律，使用參數化建模揭示了初始裂紋參數對裂紋擴展及貯箱極限承載能力的影響規律。

低溫；貯箱；2219鋁合金；斷裂韌性；擴展有限元；子模型

0 引言

運載火箭是國家戰略航天裝備，其貯箱通常用于儲存低溫液氫液氧燃料，為大型薄壁結構，材質是2219鋁合金，各段采用焊接連接[1]。一方面，液氫儲存溫度在20K以下，液氧儲存溫度在90K以下，目前關于2219鋁合金材料低溫性能的研究多在77K～300K[2]，其斷裂韌度的研究相對較少，需要補充77K以下的材料斷裂性能試驗。另一方面，焊縫處由于高溫加工形成復雜的材料區域以及不確定的缺陷，往往是最容易失效的部位[3]，大大降低了貯箱的整體強度，成為運載火箭向更大型化發展的瓶頸之一。由于低溫下大型低溫貯箱試驗成本及缺陷觀測條件的限制，目前焊縫內部缺陷的失效規律及其對貯箱整體強度的影響研究仍相對較少。

本文首次通過超低溫緊湊拉伸試驗獲取了2219鋁合金從4K到300K的斷裂韌度變化，彌補了該材料在超低溫的試驗數據不足。結合低溫強度試驗[4]和數值仿真，研究了低溫對貯箱應力—應變場的影響，利用子模型方法獲取了焊縫處的局部應力場，利用擴展有限元方法研究了焊縫處存在初始缺陷的失效形式及初始缺陷參數對失效的影響規律。

1 鋁合金在低溫條件下的力學性能試驗研究

1.1 鋁合金及焊接接頭低溫彈塑性性能

貯箱材質為2219鋁合金，利用低溫光測方法得到了77K時攪拌摩擦焊試件不同區域應力—應變數據，如圖1所示。利用冪硬化模型擬合出了攪拌摩擦焊不同區域的本構參數，如表1所示，其中母材區在斷裂時無明顯屈服，視為完全彈性。

圖1鋁合金焊接頭低溫光測應力—應變數據

表1 焊縫不同區域本構參數

彈塑性材料冪硬化本構模型為

1.2 鋁合金低溫斷裂性能

1.2.1斷裂力學方法與斷裂韌度

根據線彈性斷裂力學理論，研究和評估裂紋失穩破壞常有能量法和應力強度法。前者的主要評價指標無法直接通過試驗獲得，因此工程上常用應力強度法，即以應力強度因子的判據，裂紋失穩擴展的條件為[5]

鋁合金材料在承受準靜態加載時的斷裂韌度IC是裂紋發生臨界或失穩擴展時的應力強度因子，反映了材料抵抗裂紋失穩擴展即抵抗脆斷的能力，是利用擴展有限元方法進行失效分析和裂紋擴展模擬的重要材料指標。

1.2.2低溫斷裂韌度CT（緊湊拉伸）實驗

根據GB/T21143-2014《金屬材料準靜態斷裂韌度的統一試驗方法》測定2219鋁合金在不同溫度下的斷裂韌度：將2219-T4鋁合金制成CT（緊湊拉伸）試樣，采用INSTRON 8850 SERIES疲勞拉伸設備完成預制裂紋。采用SAMS CMT5000型號低溫拉伸實驗設備拉斷試件，采用液氮/液氦溫度箱控溫，測得斷裂應力并以此求得2219-T4鋁合金在相應溫度下的斷裂韌度。圖2為現場實驗照片。

圖2 緊湊拉伸現場實驗照片

圖3 斷裂韌度隨溫度變化圖

2 低溫下貯箱整體—焊縫局部熱力耦合分析

2.1 低溫貯箱整體模型分析

有限元模型分析軟件采用ABAQUS。有限元模型由前底、前短殼、過渡環、筒段、后短殼和后底組成。模型中前底、后底和筒段結構采用殼單元和實體單元組合結構，其余部件均采用實體單元劃分。殼結構采用S4R單元，實體結構采用C3D8R單元，殼與實體單元連接處采用殼實體耦合約束保證位移連續。整體模型單元總數約為135萬。有限元模型邊界條件根據實際工況條件確定，考慮液氮加注和增壓兩個過程，設置降溫，加壓兩個熱力耦合分析步。其中在降溫分析步中，溫度由300K降為77K。在加壓分析步中，加壓壓力由液氮重力產生的靜水壓力和增壓壓力兩部分組成，其中靜水壓力是與液氮液面高度和密度相關的函數，增壓壓力是與強度試驗中相同的0.45MPa的均勻載荷。降溫分析步的仿真結果顯示低溫產生了較小的熱應力和較大的熱應變，說明低溫對材料屬性及應力分布并沒有起到太多負面的作用。由降溫及增壓分析步得到了整體模型的應力—應變分布，筒段處應力水平較高，焊縫處失效主要是由缺陷引起的。

2.2 焊縫精細化子模型分析

2.2.1 子模型方法

子模型技術是從整體模型中取出一部分重點分析的有限元分析技術，它將整體模型的位移解作為子模型的條件，只要保證外部輪廓和空間位置相同，就可以進行更加精細的建模或網格劃分，從而得到更加精確的應力—應變場分布[6]。子模型基本原理示意圖見圖4。

圖4 子模型技術基本原理示意圖

使用子模型方法有兩個方面的意義，一方面，焊縫處的結構相比于整體模型尺寸較小，且局部結構和材料導致該部分區域產生了復雜的局部應力場，影響應力場的材料本身的彈塑性性能和影響材料失效的斷裂性能也發生了變化。子模型方法可以進行獨立于整體模型計算結果的更加精細化的分析。另一方面，后面要考慮焊縫處的局部缺陷對強度的影響，而焊縫處局部缺陷的尺寸往往非常小，一般來說網格尺寸必須小于缺陷尺寸。如果在貯箱整體模型中考慮焊接缺陷，會由于網格過小而造成巨大的計算規模。子模型方法可以只在焊縫處減小網格尺寸，大大降低了計算量。

2.2.2 焊縫子模型建立與仿真結果

貯箱大部分連接區域采用攪拌摩擦焊，其焊縫一般由焊核區、熱影響區、母材區三個部分組成[7]，由于攪拌摩擦焊過程中材料受熱及攪拌作用，力學屬性發生很大變化，因此設置不同的參數。圖5為攪拌摩擦焊過程及區域劃分圖，由此將焊縫簡化為圖6所示的焊縫子模型。

材料屬性根據前面得到的三個區域的彈塑性屬性設置，損傷起始準則采用最大主應力準則，損傷演化采用能量準則。將整體模型中焊縫位置的位移解作為子模型的輸入條件，得到了圖7的局部應力場分布作為裂紋擴展仿真的基礎。

3 基于擴展有限元的裂紋擴展仿真與分析

3.1 擴展有限元方法

擴展有限元方法是有限元中模擬裂紋擴展的常用方法之一。它是在傳統有限元的基礎上，在連續區域仍采用連續位移函數，在包含裂紋的不連續區域內基于單位分解的思想在位移函數中加入反映不連續的擴充函數項。對于不連續場的描述獨立于網格邊界，因此在裂紋擴展過程中無需重新劃分網格。同時采用水平集法追蹤裂紋面的位置，使得裂紋面與網格是相互獨立的，裂紋從而可以貫穿網格沿任意路徑擴展，大大提高了模擬裂紋擴展問題的效率與精度[1]。

圖5 攪拌摩擦焊形貌示意圖

圖6 焊縫精細化子模型

圖7 焊縫子模型仿真結果

3.2 裂紋擴展仿真與結果

設置如圖8所示的橢圓形狀初始裂紋，利用擴展有限元方法得到圖9所示的裂紋擴展過程。在過程中裂紋擴展臨界壓力為0.408MPa，裂紋從初始裂紋處迅速擴展，延伸到表面，形成表面裂紋，繼而沿橫向擴展，該結果與強度試驗結果吻合較好。

圖8 初始缺陷設置

圖9 裂紋擴展過程

3.3 裂紋參數對裂紋擴展的影響分析

為了研究裂紋參數對裂紋擴展的影響，分別改變裂紋方向和尺寸，觀察裂紋擴展的差異。

首先改變初始裂紋與焊線的角度，分別初始裂紋沿壁面法向旋轉45°、90°和135°，發現旋轉后的臨界壓力均大于原始情況，擴展路徑先沿裂紋方向后回歸橫向，如圖10所示。圖11為臨界壓力隨角度的變化。由圖11可見裂紋角度對極限壓力的影響較小，這里主要是兩個方向的應力比較接近，但如果在壁面內方向旋轉可能會有一些差異。接著逐漸減小裂紋的尺寸，得到表2和圖12的裂紋擴展的臨界壓力隨裂紋直徑的變化。

圖10 不同角度初始裂紋的裂紋擴展路徑

圖11 臨界壓力隨角度的變化

表2 臨界壓力隨裂紋直徑的變化

由圖12中擬合曲線可以發現隨裂紋直徑減小，臨界壓力逐漸增大，斷裂強度趨近于材料本身無缺陷時的強度。工程中可以建立類似的臨界壓力隨裂紋參數的關系以達到快速判斷是否安全的目的。經過模擬發現裂紋直徑也就是裂紋尺寸對計算結果的影響是最大的。探傷的時候應重點考慮裂紋的尺寸，可以考慮忽略裂紋的三維角度，同時將探傷的精度考慮在內，小于探傷精度的裂紋按最大探傷精度計算，大于探傷精度的裂紋按最大直徑計算，根據臨界壓力隨裂紋參數的關系確定貯箱的極限承載能力。

圖12 臨界壓力隨裂紋直徑的變化

4 結論

本文的研究成果包括以下三個方面

1）獲取了運載火箭貯箱材料2219鋁合金低溫下的彈塑性本構參數，研究了不同溫度下該材料的斷裂韌度變化，發現2219鋁合金材料的斷裂韌度從4K到300K先升高后降低，存在極值點，該材料在4K時仍保持較好的斷裂韌度。

2）建立了焊接貯箱低溫熱力耦合模型和焊縫局部簡化力學模型，分析了低溫的作用機制，結果顯示低溫產生了較大的壓應變和較小的應力且提高了材料本身的強度。

3）利用擴展有限元方法結合子模型技術模擬了有初始裂紋情況下焊縫中裂紋擴展過程，得到了失效形式及裂紋擴展規律。研究了初始裂紋參數對裂紋擴展的影響規律。

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Experiment and Simulation Analysis for Weld Defected 2219 Aluminum Alloy Tank at Low Temperature

LIANG Zhun1ZHANG Ying-han1GAO Yuan1LIU Zhan-li1TONG Jun2LUO Jia2LI Dian2ZHUANG Zhuo1

(1 School of Aerospace Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China)

In this paper, the influence of material and weld defects on the ultimate bearing capacity of carrier rocket tank at low temperature is studied by material test and numerical simulation. The elastic-plastic constitutive parameters of 2219 aluminum alloy at low temperature are obtained by low-temperature optical test. The fracture toughness of 2219 aluminum alloy from 4K to 300K is studied by compact tensile test. It is found that 2219 aluminum alloy still maintained good fracture toughness at 4K. Combined with the strength of 77K temperature tank failure test, the tank model and weld sub-model are established and the local stress-strain field distribution under low temperature is obtained. The failure mode and the regularity of crack propagation are revealed using the extended finite element method based on fracture mechanics. The effects of initial crack parameters on crack growth and the ultimate bearing capacity are revealed through parametric modeling.

Low temperature; Storage tank; 2219 aluminum alloy; Fracture toughness; Extended finite element method; Submodel

O346

A

1006-3919(2021)05-0052-06

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.05.009

2021-05-12；

2021-07-05

中國運載火箭技術研究院高校聯合創新基金

梁準（1999－），男，本科生，研究方向：疲勞與斷裂；（100084）北京市清華大學蒙民偉科技大樓北樓.