考虑薄板焊接初始变形对接接头疲劳性能研究

摘要

薄板在焊接过程中容易出现焊接缺陷，常见的焊接缺陷有焊接初始变形（母材弯曲）、焊接角变形以及焊接错位。考虑到焊接缺陷对疲劳强度的影响，DNV规范中引入了应力放大系数的概念，但是该规范推荐的应力放大系数计算公式仅考虑了焊接角变形和焊接错位对疲劳强度的影响，没有考虑焊接初始变形对薄板对接接头疲劳强度的影响，使得评估结果不准确。本文同时考虑焊接角变形和焊接初始变形对疲劳强度的影响，提出了一个新的应力放大系数计算公式，并通过文献中的试验资料验证该公式的准确性。 首先，本文采用局部角变形来表示薄板对接接头的焊接初始变形，提出了考虑焊接初始变形以及焊接角变形影响的应力放大系数计算模型，并推导出相应的应力放大系数公式。通过将该应力放大系数公式的计算结果与规范中应力放大系数公式的计算结果对比，可以得出如下结论：焊接初始变形对应力放大系数的影响很大。 然后，采用有限元软件ANSYS，建立一系列不同焊接缺陷的薄板对接接头有限元模型，计算得到不同对接接头热点应力的大小。通过有限元计算结果与推导出的应力放大系数公式的计算结果比较，推导得出的公式的计算结果存在较大误差。根据对本文提出的应力放大系数计算模型的分析可得，造成这一较大误差的原因是推导出的公式考虑的是计算模型中最大的附加弯曲应力而非薄板对接接头焊趾处的附加弯曲应力。因此，针对这一问题对提出的理论公式进行修正，然后将修正后的公式计算结果与数值分析结果进行比较，验证了修正后的应力放大系数公式的准确性。 最后，基于本文提出的应力放大系数计算公式，重新评估薄板对接接头的疲劳强度，研究的焊接接头存在角变形、焊接错位和焊接初始变形等焊接缺陷。结果表明，仅考虑焊接错位和焊接角变形下的评估结果是安全的，但是评估结果过于保守；而基于本文提出的应力放大系数计算公式对两组不同焊接工艺的薄板对接接头的疲劳强度评估结果更准确，“分散带”更窄；同时评估结果也验证了推导的理论公式的准确性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 对接结构焊接缺陷研究现状

1.2.2球罐焊接缺陷研究现状

1.3 本课题主要研究内容

第2章 应力集中对疲劳强度的影响

2.1 应力集中的基本概念

2.1.1 应力类型

2.1.2 热点应力

2.1.3 应力集中系数

2.1.4 热点应力集中系数

2.2 应力集中对疲劳强度的影响

2.2.1 接头类型的影响

2.2.2 焊缝形状的影响

2.2.3 焊接缺陷的影响

2.3 应力放大系数

2.3.1 错位应力放大系数

2.3.2 角变形应力放大系数

2.4 总结

第3章 焊接初始变形引起应力集中的研究

3.1 公式适用性分析

3.1.1 计算结果

3.1.2 α对km的影响

3.1.3 L/t对km的影响

3.2 焊接初始变形应力放大系数

3.2.1 焊接初始变形

3.2.2 理论基础

3.2.3 焊接初始变形应力放大系数

3.3 公式对比分析

3.3.1 长细比L/t≤20

3.3.2 长细比L/t＞20

3.4 本章小结

第4章 焊接初始变形应力放大系数有限元分析

4.1 缺口应力有限元分析

4.1.1 有限元分析方法

4.1.2 相关结构应力分析

4.1.3 焊缝建模方法

4.1.3 网格细化方法

4.2 薄板对接接头有限元模型

4.2.1 几何模型

4.2.2 材料属性和单元类型

4.2.3 网格划分

4.2.4 边界条件及载荷

4.3 公式优化修正

4.3.1 应力放大系数计算方法

4.3.2 有限元计算结果

4.3.3 焊接初始变形的影响

4.3.4 公式验证

4.3.5 误差分析及公式修正

4.4本章小结

第5章 薄板对接接头疲劳性能研究

5.1 疲劳试验

5.1.1 试件

5.1.2 尺寸测量

5.1.3 试验结果

5.2 疲劳结果评估

5.2.1 评估结果安全性分析

5.2.2 评估结果精度分析

5.3 本章小结

第6章 总结及展望

6.1 总结

6.2 本文创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表成果