基于缺口应力法的焊接接头多轴疲劳准则研究

摘要

疲劳破坏是船舶与海洋工程结构物的主要破坏形式之一，船舶与海洋结构物中大多数焊接结构均处在多轴受力状态。目前应用于多轴疲劳强度评估的准则有很多，但是对于哪一种准则的适用范围更广、评估精度更高，研究人员仍然没有统一观点。因此，比较分析常用的多轴疲劳评估准则的评估结果，并在此基础上进行修正，提出一种更适用的多轴疲劳准则具有重要意义。为了提出一种能够广泛应用于焊接接头多轴疲劳评估的准则，本文将IIW推荐的缺口应力法运用到焊接接头多轴疲劳评估中。 首先，基于缺口应力法重新评估焊接接头单轴疲劳强度，对比缺口应力评估结果与名义应力评估结果的差异，分析IIW推荐的单轴缺口应力S-N曲线用于不同焊接接头单轴疲劳强度评估时的适用情况。结果表明，IIW推荐的单轴缺口应力S-N曲线适用于角焊缝接头的疲劳评估，但并不适用于对接接头的疲劳评估。通过对缺口应力法评估结果的分析，对于对接接头，缺口应力S-N曲线应定义为：疲劳等级FAT为215MPa，曲线斜率m为4。 而后，基于缺口应力法评估焊接接头多轴疲劳强度，针对缺口应力方法的特点，提出了缺口应力分量的局部坐标下的简化表达方式，导出了缺口局部坐标系下，各缺口应力分量的计算公式。在此基础上，采用六种基于应力的多轴疲劳准则评估焊接接头多轴疲劳强度，疲劳试验的加载方式包括比例加载与非比例加载两种。研究的六种准则分别为：von Mises准则、IIW准则、EESH准则、C-S准则、Findley准则以及MWCM准则。通过对比分析这六种准则评估结果的安全性与精度发现，Findley准则对多轴疲劳评估的适应性较好。 最后，通过对Findley准则中评估参量的分析，借鉴IIW准则以及EESH准则中有关非比例修正的思想，分析临界面上正应力范围与剪应力范围的比值以及多轴载荷间的相位差（非比例度）对焊接接头多轴疲劳强度的影响，提出了修正Findley准则。采用提出的修正Findley准则重新评估焊接接头多轴疲劳强度，分析评估结果的安全性与精度。结果表明，采用修正Findley准则评估焊接接头多轴疲劳强度时，得到的评估结果精度更高。通过对评估结果进行分析，得出相应的缺口应力S-N曲线：疲劳等级FAT为373MPa，曲线斜率m为4.8。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 多轴疲劳评估准则研究现状

1.2.2 缺口应力法研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 多轴缺口应力分析理论基础

2.1 虚拟半径计算方法

2.2 缺口应力状态分析

2.3 任意平面上的应力状态

2.4 缺口应力集中系数

2.5 任意平面上的应力幅值与平均值

2.5.1 轨迹线ψ的定义

2.5.2 正应力幅值与平均值

2.5.3 剪应力幅值与平均值

2.6 本章小结

第3章 基于缺口应力法的单轴疲劳评估

3.1 缺口应力数值分析方法

3.1.1 缺口局部模型建立

3.1.2 缺口局部网格细化

3.2 单轴疲劳试验资料

3.3 名义应力S-N曲线评估

3.4 缺口应力S-N曲线评估

3.4.1 有限元建模

3.4.2 有限元计算结果分析

3.4.3 缺口应力S-N曲线评估

3.5 本章小结

第4章 基于缺口应力法的多轴疲劳评估

4.1 多轴疲劳评估准则

4.1.1 von Mises等效应力准则

4.1.2 IIW准则

4.1.3 EESH准则

4.1.4 C-S准则

4.1.5 Findley准则

4.1.6 MWCM准则

4.2 多轴疲劳试验资料

4.2.1 多轴疲劳试验

4.2.2 试验加载方式与载荷函数

4.3 有限元模型及结果分析

4.3.1 有限元建模

4.3.2 计算结果分析

4.4 多轴疲劳强度评估

4.4.1 临界面选取

4.4.2 多轴疲劳评估结果比较分析

4.5 本章小结

第5章 基于缺口应力法的Findley准则修正

5.1 临界面上的应力比修正

5.1.1 修正系数计算公式

5.1.2 应力比修正评估结果分析

5.2 多轴载荷相位差修正

5.2.1 修正系数计算公式

5.2.2 相位差修正评估结果分析

5.3 修正Findley准则

5.3.1 准则的定义

5.3.2 等效缺口应力S-N曲线

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文