考虑残余应力下焊接接头多轴疲劳损伤研究

摘要

工程中，焊接结构通常承受复杂的多轴循环载荷作用，焊缝区通常是疲劳失效的热点区域。因此研究焊接结构在复杂应力应变状态下的多轴疲劳对于工程实际具有十分重要的意义。潜艇锥柱结合壳焊缝区域是潜艇疲劳破坏的热点，该区受力状态为沿潜艇纵向的弯曲应力、纵向压应力和环向压应力等复杂比例循环应力。本文以高强钢对接接头为研究对象，在总结过去关于焊接接头疲劳研究和常规疲劳理论，结合试验研究，探索考虑残余应力下焊接接头多轴疲劳损伤寿命的分析方法，以期获得可靠的疲劳寿命结果，从而提出了一套完整的考虑残余应力为初始应力的疲劳裂纹萌生寿命的计算方法，并定量分析了残余应力对疲劳累积损伤的影响。
　　焊接残余应力的存在将会影响着焊接节点的强度、刚度、稳定性等，脆性断裂发生的地方又常常是焊缝位置，因此在对焊接结构应力场分析的时候，必须考虑焊接残余应力的影响。同时考虑在焊接残余应力和多轴荷载的双重作用下，更有可能萌生裂纹。常规的残余应力修正，都是基于公式法的修正，未得到有效的验证;而本文提出的将残余应力作为初始应力用于预估疲劳萌生寿命的作法，充分考虑了残余应力与材料的状态有关这一事实，符合材料的疲劳破坏特性。因此，如何用有限元方法模拟焊接残余应力的影响进行焊缝裂纹萌生累积疲劳损伤的评定并进行疲劳寿命的计算还是一个新的课题。
　　首先，结合厚板多层焊接的特点，采用APDL参数化语言，进行了基于ANSYS的焊接结构的温度场和应力场模拟，再现了不同时刻的温度场分布和残余应力分布，计算结果与X射线衍射法测量结果基本相符，参数化编程为中厚板多道正反焊接的模拟提供了参考，可以促进厚板焊接过程模拟技术在工程中的应用。
　　其次，提取焊接残余应力计算的结果文件，将焊接残余应力(ist文件)作为模型的初始应力，并叠加多轴载荷，进行考虑残余应力和多轴循环载荷下的焊接结构动响应分析，确定疲劳危险点位置，并得到危险点应力、应变值时程图。
　　最后，基于得到的危险点的各项应变时程曲线，选取定义的7种疲劳损伤参量，采用matlab软件确定各损伤参量最大值及对应的疲劳损伤面的位置，并根据求得的参量幅值选择对应的损伤模型估算结构的疲劳萌生寿命。将数值方法与公式法以及试验结果做了对比分析，发现将残余应力作为初始应力得到的应力应变值，可以准确的得到结构的疲劳裂纹萌生寿命，比常规按照残余应力公式修正的结果更接近试验值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2 国内外研究概况及发展趋势

1．2．1 焊接过程有限元分析的发展概况

1．2．2 焊接结构疲劳

1．3 本文的主要工作

第2章 焊接热弹塑性有限元分析的理论基础

2．1 焊接温度场分析

2．1．1 焊接热过程

2．1．2 焊接传热的基本定律

2．1．3 焊接温度场的有限元方程

2．2 焊接应力场分析

2．2．1 焊接应力分析基本理论

2．2．2 焊接应力场有限元方程

2．3 焊接残余应力分析

2．4 本章小结

第3章 焊接温度场和应力场数值模拟

3．1 ANSYS热分析方法

3．2 模型分析

3．2．1 基本假设

3．2．2 几何模型的确定

3．2．3 材料属性

3．2．4 焊接工艺参数

3．2．5 有限元模型

3．2．6 焊接热源

3．2．7 边界条件

3．3 焊接温度场分析

3．3．1 整体温度场分析

3．3．2 关键节点的温度时间变化历程

3．4 焊接应力场分析

3．4．1 分析过程

3．4．2 焊接残余应力及分布

3．4．3 垂直焊缝方向的残余应力及分布

3．4．4 沿焊缝方向的中心线上残余应力及分布

3．4．5 ANSYS模拟结果与实测值对比分析

3．5 本章小结

第4章 双向应力场下焊接接头的动力响应分析

4．1 分析步骤

4．2 瞬态动力学分析

4．2．1 直接积分法

4．2．2 模态叠加法

4．2．3 缩减法

4．3 有限元分析

4．3．1 基本假设

4．3．2 模型分析

4．4 不考虑焊接残余应力的焊接结构动响应分析

4．4．1 最大载荷下静力分析

4．4．2 正弦载荷下动响应分析

4．5 考虑焊接残余应力的焊接结构动响应分析

4．6 本章小结

第5章 基于临界面法的焊接接头萌生寿命计算

5．1 临界面法计算步骤

5．1．1 临界面的确定

5．1．2 多轴疲劳损伤参量分析

5．1．3 多轴疲劳损伤模型

5．2 多轴疲劳损伤平面的确定

5．2．1 不考虑初始残余应力下的危险面确定

5．2．2 考虑初始残余应力下的危险面确定

5．3 疲劳萌生寿命估算

5．4 双轴疲劳试验

5．5 结果分析

5．5．1 数值分析结果

5．5．2 试验对比

5．6 本章小结

第6章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献