考虑焊接残余应力的焊接节点疲劳性能评估

摘要

钢结构桥梁是桥梁发展过程中的重要组成部分，钢结构疲劳问题一直是桥梁研究中需要关注的重要方面。焊接过程会产生较大的应力集中，容易使结构材料达到屈服影响结构的刚度，在结构承受动力荷载作用下经常不需达到强度极限便会破坏，因此研究焊接过程的应力分布和对疲劳的影响对桥梁安全具有重要意义。
　　焊接过程是涉及物理和化学的复杂过程，需要理论计算和实际测量的结合。焊接产生的残余应力主要有两部分组成:塑性变形应力和相变应力。在一般相变点较高的材料中相变应力可以忽略，塑性变形应力可以依靠数值模拟焊接过程中的热和力的变化确定。通过数值模拟可以得到焊接残余应力的分布规律，结合实际测量相互确定实际焊接残余应力的分布和大小。为研究钢结构疲劳，可将焊接残余应力作为平均应力的一部分进行计算，一般忽略残余应力在交变应力的塑性变形产生后的松弛对应力幅的影响。
　　本文通过ANSYS有限元软件模拟典型焊接细节十字接头焊缝的过程，同时结合试验模拟了疲劳裂纹的发展过程。将残余应力作为平均应力的一部分对疲劳进行了一定的评估。主要内容如下:
　　1、利用ANSYS有限元软件模拟长短板不同角度的十字接头焊缝，得到了温度和应力分布。温度峰值分布主要分布在与空气接触面较大之处，应力峰值主要分布在焊趾和焊根处。随着长短板夹角减小，残余应力大部分逐渐减小，个别部位（焊根长板方向应力）稍微增大。
　　2、根据试验模拟疲劳裂纹的发展，得到了裂纹发展下焊接残余应力的变化。随着裂纹发展，裂纹线部位残余应力整体呈现减小的趋势。随着长短板夹角减小残余应力仍然具有减小的趋势。
　　3、提出并证明了一种新的考虑焊接残余应力和平均应力的疲劳损伤参量，与以往规范疲劳设计不同，其考虑了疲劳塑性变形、强度等级和残余应力的影响，这将促进疲劳理论研究的发展。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究背景与意义

1．2 焊接残余应力综述

1．2．1 焊接残余应力的概念

1．2．2 研究焊接残余应力的意义

1．3 钢结构疲劳综述

1．3．1 钢结构疲劳的概念

1．3．2 钢结构疲劳设计的难点分析

1．4 国内外发展现状

1．4．1 钢结构疲劳发展现状

1．4．2 焊接及焊接残余应力发展现状

1．5 本课题的主要研究内容

第二章 本论文研究的理论分析基础

2．1 ANSYS有限元软件的介绍与优势

2．1．1 有限元法理论及其发展

2．1．2 ANSYS软件计算的优势

2．2 热分析理论

2．2．1 ANSYS热分析综述

2．2．2 传热学经典理论和传递方式

2．2．3 焊接热分析材料属性与边界条件

2．2．4 焊接热分析的荷载与分析方式

2．3 焊接残余应力的分析方法

2．3．1 焊接残余应力的计算过程

2．3．2 焊接接头和焊缝的分类

2．3．3 焊接应力应变准则

2．3．4 相变对焊接过程的影响

2．4 疲劳分析理论

2．4．1 疲劳分析综述

2．4．2 疲劳S-N曲线和P-S-N曲线

2．5 裂纹扩展对结构的影响

2．6 本章小结

第三章 ANSYS模拟焊接残余应力

3．1 ANSYS焊接热分析简述

3．2 ANSYS模拟焊接耦合场的过程

3．3 有限元模型的建立

3．4 温度场荷载的施加、求解与结果分析

3．4．1 温度场荷载的施加和求解

3．4．2 温度场荷载的结果与分析

3．5 结构场荷载的施加、求解与结果分析

3．5．1 结构场荷载的施加和求解

3．5．2 结构场荷载的结果与分析

3．6 本章小结

第四章 疲劳裂纹发展下的残余应力分析

4．1 焊接结构疲劳裂纹的发展依据

4．2 ANSYS裂纹的模拟

4．3 疲劳裂纹发展下残余应力的分析

4．4 本章小结

第五章 考虑焊接残余应力的焊接节点疲劳性能评估

5．1 一种新的考虑平均应力修正的疲劳损伤参量

5．1．1 现有疲劳寿命方程回顾和总结

5．1．2 考虑平均应力的模型分析

5．1．3 一种新的考虑平均应力的模型修正方法

5．1．4 试验数据验证

5．2 考虑焊接残余应力的焊接节点疲劳性能评估

5．2．1 既有焊接节点疲劳寿命评估

5．2．2 考虑焊接残余应力的修正疲劳寿命评估

5．3 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢