熔合线含缺陷焊接接头损伤行为的研究

摘要

焊接是一个非均匀热循环过程,并且伴随着复杂的化学与物理冶金反应,焊接接头各区域存在很大的组织梯度和力学性能不均匀性,焊接区常常成为整个焊接结构的薄弱区和失效发生的策源地。研究焊接接头这种力学性能不均匀体的损伤及断裂行为,对于焊接结构的安全性评定,具有重要的理论与工程实际意义。 基于以上问题,本文从连续介质损伤力学的一般理论出发,借助于各向同性弹塑性应变-损伤耦合本构方程以及弹塑性应变-损伤耦合有限元分析程序,研究了焊接接头力学不均匀体的损伤行为及断裂行为。计算结果与文献中试验结果的比较表明：所采用的弹塑性应变-损伤耦合有限元程序能够很好地模拟含损伤结构的力学性能,也能很好的反映出损伤的存在对结构力学行为的影响。在此基础上,本文建立了熔合线含缺口和裂纹两种缺陷形式的焊接接头损伤模型,全面分析了焊接接头强度匹配、母材金属断裂应变、母材金属应变硬化指数以及焊缝宽度等力学不均匀性因素和几何不均匀性因素对焊接接头损伤场分布以及损伤参量和断裂参量之间对应关系的影响规律。此外,借助于完全损伤区的方法,对熔合线含裂纹焊接接头的裂纹扩展行为进行了研究。 对焊接接头缺口圆棒拉伸试样的数值研究发现,焊接接头的损伤场分布受到焊缝两侧母材金属力学性能参量的影响。在同样外界载荷作用下,焊接接头的损伤程度会随着母材金属断裂应变的减小、母材金属应变硬化指数的增大以及接头强度匹配的增大而增大；在焊接接头其它材料属性参数不变的条件下,随着母材金属断裂应变的减小和应变硬化指数的增加,低匹配焊接接头损伤集中区将会从缺口附近区域屈服强度较低的焊缝区转移至屈服强度较高的母材区。随母材金属断裂应变的增加和应变硬化指数减小,高匹配焊接接头损伤集中区将会从缺口附近区域屈服强度较低的母材区转移至屈服强度较高的焊缝区；焊缝宽度的变化对焊接接头损伤场的分布几乎没有影响。 对于熔合线含裂纹的焊接接头,在加载过程中,当裂纹嘴张开位移处于同一水平时,焊接接头的损伤程度会随着强度匹配和母材金属应变硬化指数的增加而增大,随着母材金属断裂应变的增加而减小,焊接接头宏观失效准则的建立应充分考虑力学性能不均匀性。基于完全损伤区方法的裂纹试样裂纹扩展行为的数值研究表明：平面应力条件下,熔合线含裂纹焊接接头的裂纹平行于熔合线向前发展；平面应变条件下,裂纹扩展方向与熔合线大致呈45度。以上数值计算结果及分析表明,微观损伤参量和宏观断裂参量都能描述焊接接头失效过程中的应力应变行为,它们之间的对应关系强烈依赖于焊接接头的力学性能不均匀性。研究焊接接头失效过程中微观机制和宏观表征,是对焊接接头安全评估和寿命预测有益的补充,具有重要的理论研究意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题研究的目的和意义

1.2损伤力学基础理论及研究现状

1.2.1连续介质损伤力学--唯象学方法

1.2.2细观损伤力学--金属物理学方法

1.3损伤研究的数值模拟方法

1.4焊接接头损伤行为的研究及存在的问题

1.5课题研究的主要内容

2焊接接头应变-损伤耦合弹塑性有限元理论与程序设计

2.1各向同性弹塑性损伤理论

2.2弹塑性损伤演化方程

2.3弹塑性应变-损伤耦合有限元分析本构关系

2.4弹塑性应变-损伤耦合有限元程序的可靠性

3熔合线含缺口焊接接头损伤行为的研究

3.1计算模型的建立

3.1.1计算模型的构成与网格剖分

3.1.2焊接接头计算模型中材料性能参数

3.2计算结果与分析

3.2.1母材金属断裂应变对焊缝区损伤演化的影响

3.2.2母材金属应变硬化指数对焊缝区损伤演化的影响

3.2.3强度匹配对焊缝区损伤演化的影响

3.2.4焊缝宽度对焊缝区损伤演化的影响

3.3小结

4焊接接头损伤参量与断裂参量对应关系的研究

4.1计算模型的建立

4.1.1计算模型的构成与网格剖分

4.1.2焊接接头计算模型中材料性能参数

4.2计算结果与分析

4.2.1损伤参量D与断裂参量CMOD在描述裂纹尖端场强度的统一

4.2.2强度匹配对断裂参量和损伤参量及其对应关系的影响

4.2.3母材金属断裂应变对断裂参量和损伤参量及其对应关系的影响

4.2.4母材金属应变硬化指数对断裂参量和损伤参量及其对应关系影响

4.2.5焊缝宽度对断裂参量和损伤参量及其对应关系的影响

4.3小结

5基于损伤力学理论的裂纹扩展行为数值研究

5.1理论基础

5.2计算模型的建立

5.3基于损伤力学理论的裂纹扩展行为数值研究

5.4裂纹扩展中的断裂参量CMOD

5.5小结

6结论

参考文献

致谢

在校期间发表的论文和其它成果