结构钢连接接头超高周疲劳特性研究

发布时间：2020-11-02 01:49

　　 随着当前社会的飞速发展,中国桥中国车中国路等“中国骄傲”不断“出品”,工程对零配构件的功能要求越来越高,特别是对金属构件的可靠性和耐久性要求,已经成为重要工程的发展的紧迫需求,是航空航天、车辆船舶、高速列车、微机电系统以及生物医学等领域的关键技术问题。为了节能环保,保护更多的绿水青山,这些工程中的金属结构构件通常要求服役时间达到一定长度。另一方面,目前工程中使用到的各类构件都逐渐向微型化、轻量化趋势发展,这些轻量化构件中的一些小型机械构件,工作环境常常是高频交变载荷,因此这些小型构件的安全性、可靠性以及稳定性对整个工程来说是非常重要的。在桥梁结构和高层结构中,构件之间的连接经常使用焊接连接或螺栓紧固,但由于焊接材料或螺栓材料与母材本身的力学性质一般不同,连接点连接复杂,因此连接点往往是整个结构受荷下的能量集聚点,也是最易发生疲劳破坏,造成经济损失。因此研究焊接连接接头和螺栓连接接头的疲劳行为,特别是受荷次数超过10~7次的超长寿命疲劳性能,对于保证结构的可靠性、安全性和耐久性具有重要的工程意义。本文首先对Q345低合金材料的母材进行分析研究,利用有限元分析软件建模,调整各部分尺寸以达到实验所需。应用日本岛津公司USF-2000超声疲劳试验机,设置拉压应力比为-1,振动频率为20kHz,在常温环境进行实验,研究母材自身的超高周疲劳性能。结果表明,材料自身的超高周疲劳循环周次随着应力值的提高而降低,得到的S-N应力寿命曲线呈对数散布,没有疲劳极限。观察构件断裂位置,大多数断裂在中间截面,少量断裂在圆弧过渡截面处。采使用电子扫描显微镜进行断口观察:裂纹均从表面萌生,尤其是表面有划痕、粗糙处或渗入夹杂物的地方。模拟工程上的两个钢构件搭接的焊接接头,运用有限元软件进行尺寸设计,超声疲劳试验机进行实验。分析研究了各项尺寸对构件固有频率和应力位移比Cs的影响。结果表明,各部分尺寸对其固有频率的影响均呈线性关系,其中圆弧段长度L3和板的厚度t的尺寸变动对频率的影响最大,在加工试件需要控制精度。各尺寸对应力位移系数Cs的影响大体上影响不大。进行超声疲劳振动试验,结果表明,搭接焊接接头的疲劳性能较母材低,约为母材强度的57%。观察试件断口,大多数都断裂于焊趾处,有部分断裂在受弯曲影响较大的母材处,因此尺寸设计加工时需考虑弯曲的影响。观察断面可知,焊接接头裂纹不止萌生于一处,且夹杂和气孔较多。探索螺栓紧固构件的超声疲劳性能,使用有限元进行尺寸设计,采用接触单元模拟螺帽与连接件之间的紧固,施加预紧力模拟螺纹杆与螺帽之间的相互作用,最后得到试件第13阶轴向拉压振型的固有频率为20.15kHz,确定了试件尺寸。继续进行超声疲劳试验,得出结论首先需理想化模型,螺栓必须将连接件紧固得非常紧密,可采用专业仪器进行螺栓固定,保证整个试件内部无仪器可识别空隙,或者可以将试件做成一个整体,中间攻丝然后安装上螺栓;其次由于高速振动时螺纹杆与连接件之间易积累能量而导致温度急速提升,因此采用间隔加载,保证试件有足够散热时间。最后试件成功振动。
【学位单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU391
【部分图文】：

常温工作下的试件，如图 1.1 所示，高温会极大降低材料的疲劳性能，且使材料疲劳性能的降低程度随着循环周次的增加不断增大。图1.1 疲劳强度随疲劳寿命的变化[19]Fig. 1.1 Variation of fatigue strength with fatigue life[19]

[46]。图1.2 疲劳过程中的不同阶段及相应的控制参数[46]Fig. 1.2 Different stages of fatigue process and corresponding control parameters[46]

[12]。图1.3 裂纹萌生扩展到断裂发展过程[7]Fig. 1.3 The process of crack initiation、development and fracture[7]图 1.3 所示的超高周（VHCF）疲劳寿命，裂纹萌生与扩展占疲劳寿命的大部分。可以看出，研究裂纹萌生、扩展机制和萌生、扩展寿命对于超高周疲劳的研究是非常重要的。程礼[7]等人形象的形容了超高周疲劳试验过程就像大树的年轮增长一样，整个过程都会在断口上完整的记录下来，所以研究断口形貌特征已经成为疲劳研究的重要组成部分，可以从中揭示疲劳裂纹的萌生和扩展机理。材料产生的疲劳裂纹可能从表面萌生，也可能从内部萌生，大量学者研究表明，低周疲劳时裂纹较多从表面起裂，高周时通常只有一个主裂纹从表面起裂，超高周疲劳则存在内部和表面多种萌生机制竞争的现象[47]。侯方[19]等人也得出相关裂纹萌生机制竞争现象结论：CrMoW 转子钢在高温环境下低周试件裂纹主要出现在表面
【参考文献】

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1 刘永杰;何超;杨少波;王清远;;薄片超声弯曲疲劳试验方法研究[J];四川大学学报(工程科学版);2012年S2期

2 何超;王清远;刘永杰;;超声加载条件下低合金钢疲劳裂纹扩展寿命[J];四川大学学报(工程科学版);2012年S2期

3 黄志勇;王清远;;低铬合金钢的超高周疲劳行为和裂纹扩展路径分析[J];四川大学学报(工程科学版);2012年05期

4 何超;田仁慧;王清远;;钛合金焊接接头超长寿命疲劳特性研究[J];中国测试;2012年03期

5 刘永杰;何超;方冬慧;王清远;;焊接接头超高周疲劳实验研究[J];实验力学;2011年05期

6 张永健;惠卫军;项金钟;董瀚;翁宇庆;;晶粒尺寸对42CrMoVNb钢超高周疲劳性能的影响[J];金属学报;2009年07期

7 洪友士;赵爱国;钱桂安;;合金材料超高周疲劳行为的基本特征和影响因素[J];金属学报;2009年07期

8 李守新;;夹杂对高强钢超高周疲劳行为的影响[J];鞍钢技术;2007年02期

9 鲁连涛,张卫华;金属材料超高周疲劳研究综述[J];机械强度;2005年03期

10 周承恩,谢季佳,洪友士;超高周疲劳研究现状及展望[J];机械强度;2004年05期

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1 王弘;40Cr、50车轴钢超高周疲劳性能研究及疲劳断裂机理探讨[D];西南交通大学;2004年

本文编号：2866400