焊接残余应力对高强钢对接接头循环应力范围的影响

摘要

焊接残余应力对焊接结构疲劳强度和寿命的影响一直是焊接结构可靠性研究关注的重点内容，但相关研究主要依据试验或统计基础上的经验公式和经验曲线，为了实用性且使问题简单化，根据Gurney T R《焊接结构的疲劳》一书的近似理论，人们用材料屈服强度值及其向下摆动一个应力幅的数值分别作为实际循环应力范围的上、下限来描述焊接结构的载荷特征，用以描述残余应力对焊接结构疲劳强度的影响，但材料的理想弹塑性的假设、加载方向和加载应力范围的不明确，其适用性和适用范围有必要进行进一步的研究。
　　本文针对屈强比为0.922的590 MPa级高强钢10CrNi3MoV静载力学性能和疲劳性能进行了试验研究，并采用有限元方法对其等匹配对接接头焊接过程和焊后循环加载过程进行了模拟，研究了高强钢等匹配对接接头焊接残余应力的分布特征和不同应力比、不同循环载荷施加方向及不同载荷范围条件下循环载荷对焊接残余应力衰减的影响，及焊接残余应力对平板对接接头实际循环应力范围的影响。研究发现:
　　1.有限元计算获得的高强钢10CrNi3MoV的平板对接接头焊接残余应力分布规律与普通低碳钢对接接头相同，纵向残余应力峰值达到材料屈服强度值。
　　2.各种条件下的外载荷施加均引发对接接头内部应力的重新分配，卸载后残余应力峰值均发生不同程度衰减;其中，应力比为0的纵向加载的纵向残余应力衰减量均远大于应力比为-1。而横向加载时残余应力的衰减量与应力幅有关，循环应力幅低于屈服强度时，应力比为-1的纵向残余应力衰减量均远大于应力比为0;循环应力幅大于屈服强度时，应力比为0的纵向残余应力衰减量均远大于应力比为-1。
　　3.在横向加载循环载荷条件下（外载荷与焊后最大主应力方向相垂直），焊缝附近最大主应力的实际循环应力范围的上、下限要高于文献所推荐的理论值。当外加循环应力幅小于屈服强度且应力比为0时，模拟所得焊缝附近最大主应力的实际循环应力范围上限为745 MPa，高于屈服强度(702 MPa)43 MPa，此时循环应力幅较小，实际循环应力范围的下限远高于文献所推荐的理论值;当外加循环应力幅为780 MPa(大于屈服强度)且应力比为0时，最大主应力的实际循环应力范围的上限为783 MPa，循环应力范围的下限为-27.2 MPa;当施加循环应力为-1时，最大主应力实际循环应力范围的上限为745 MPa左右，此时循环应力幅大约为外加循环应力幅的1/4，下限远高于文献所推荐的理论值。因此，文献推荐循环应力范围不适用于高强钢对接接头横向循环载荷加载的情况。
　　4.在纵向加载循环载荷条件下（外载荷与焊后最大主应力同向叠加），焊缝附近最大主应力的实际循环应力范围的上、下限要高于文献所推荐的理论值。当施加循环载荷应力比为0和-1时，对应模拟所得焊缝附近最大主应力的实际循环应力范围上限为822 MPa(接近材料抗拉强度)和756 MPa，分别高于材料屈服强度120 MPa和54 MPa，实际循环应力幅都接近外加载荷的循环应力幅，下限均远高于文献所推荐的理论值。因此，适用高强钢对接接头纵向循环加载情况时，需要重新校核实际循环应力范围的上限。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 影响焊接结构的疲劳强度的因素

1．2．2 有限元分析中循环应力幅值的应力类型的选择

1．2．3 焊接残余应力分布及其在循环载荷下的衰减规律

1．2．4 焊接残余应力对疲劳强度影响

1．3 主要研究内容

第2章 高强钢10CrNi3MoV性能的测定

2．1 引言

2．2 测试材料和方法

2．3 测试结果与分析

2．3．1 10CrNi3MoV的静载单调拉伸性能

2．3．2 10CrNiMoV的循环应力-应变特性

2．4 本章小结

第3章 等匹配对接接头焊接过程的有限元分析

3．1 引言

3．2 建立焊接过程模型

3．2．1 网格划分

3．2．2 材料特性及力学性能

3．2．3 焊接参数

3．3 焊后残余应力分析

3．5 本章小结

第4章 循环载荷对10CrNi3MoV等匹配接头焊接残余应力衰减的影响

4．1 引言

4．2 焊后循环载荷作用过程模型的建立

4．3 循环载荷对焊接残余应力的衰减规律分析

4．3．1 加载周期对焊接残余应力衰减的影响

4．3．2 载荷应力幅对焊接残余应力衰减的影响

4．3．3 应力比对焊接残余应力衰减的影响

4．4 本章小结

第5章 循环载荷作用下焊接残余应力对实际循环应力范围的影响

5．1 引言

5．2 脉动循环载荷作用下的实际应力范围

5．2．1 横向脉动循环载荷

5．2．2 纵向脉动循环载荷

5．3 交变循环载荷作用下的实际应力范围

5．3．1 横向交变循环载荷

5．3．2 纵向交变循环载荷

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢