考虑薄板焊接初始变形对接接头疲劳性能研究

发布时间：2020-07-15 09:34

【摘要】：薄板在焊接过程中容易出现焊接缺陷,常见的焊接缺陷有焊接初始变形(母材弯曲)、焊接角变形以及焊接错位。考虑到焊接缺陷对疲劳强度的影响,DNV规范中引入了应力放大系数的概念,但是该规范推荐的应力放大系数计算公式仅考虑了焊接角变形和焊接错位对疲劳强度的影响,没有考虑焊接初始变形对薄板对接接头疲劳强度的影响,使得评估结果不准确。本文同时考虑焊接角变形和焊接初始变形对疲劳强度的影响,提出了一个新的应力放大系数计算公式,并通过文献中的试验资料验证该公式的准确性。首先,本文采用局部角变形来表示薄板对接接头的焊接初始变形,提出了考虑焊接初始变形以及焊接角变形影响的应力放大系数计算模型,并推导出相应的应力放大系数公式。通过将该应力放大系数公式的计算结果与规范中应力放大系数公式的计算结果对比,可以得出如下结论:焊接初始变形对应力放大系数的影响很大。然后,采用有限元软件ANSYS,建立一系列不同焊接缺陷的薄板对接接头有限元模型,计算得到不同对接接头热点应力的大小。通过有限元计算结果与推导出的应力放大系数公式的计算结果比较,推导得出的公式的计算结果存在较大误差。根据对本文提出的应力放大系数计算模型的分析可得,造成这一较大误差的原因是推导出的公式考虑的是计算模型中最大的附加弯曲应力而非薄板对接接头焊趾处的附加弯曲应力。因此,针对这一问题对提出的理论公式进行修正,然后将修正后的公式计算结果与数值分析结果进行比较,验证了修正后的应力放大系数公式的准确性。最后,基于本文提出的应力放大系数计算公式,重新评估薄板对接接头的疲劳强度,研究的焊接接头存在角变形、焊接错位和焊接初始变形等焊接缺陷。结果表明,仅考虑焊接错位和焊接角变形下的评估结果是安全的,但是评估结果过于保守;而基于本文提出的应力放大系数计算公式对两组不同焊接工艺的薄板对接接头的疲劳强度评估结果更准确,“分散带”更窄;同时评估结果也验证了推导的理论公式的准确性。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U661.43
【图文】：

焊趾,焊接缺陷,缺口应力,焊缝尺寸

集中使得接头局部区域的应力急剧增大，在循环载荷作用下，使得接头应力集中区产生疲劳裂纹或断裂。不同的焊缝尺寸、接头形式引起的焊趾处的应力集中程度不同，除了焊缝尺寸和接头形式外，焊接缺陷对应力集中的影响也较大。本章主要分析不同接头类型、焊缝形式及焊接缺陷引起的应力集中对疲劳强度的影响，并介绍 DNV 及 IIW 中收录的焊接缺陷（焊接错位、焊接角变形）应力放大系数计算式。2.1 应力集中的基本概念2.1.1 应力类型焊接节点处由于几何类型复杂、加工工艺、焊接工艺和焊缝质量等因素的影响，使得节点处的应力状态十分复杂。按区域可将应力分为三类：名义应力、结构应力、缺口应力，如图 2-1 所示。名义应力反映远离接头区域横截面的应力水平；结构应力是靠近焊趾缺口的局部应力；缺口应力是焊趾缺口处的峰值应力。

应力图,焊趾,应力,结构应力

热点应力为结构应力的最大值，结构应力包括所有结构细节的对焊趾处应力的影响，其大小取决于构件整体尺寸和加载参数。在结构应力分析时，需在厚度方向上从缺口应力分离出结构应力，如图 2-2 所示，在焊趾缺口处垂直于焊趾方向上，正应力沿板厚方向是非线性分布，此时缺口应力可分解为弯曲应力、膜应力、非线性峰值应力。其中结构应力为弯曲应力与膜应力之和，即：s m bσ = σ + σ（2-1）式中：sσ 为结构应力，mσ 为薄膜应力，bσ 为弯曲应力。若已知应力在板厚方向上的分布函数σ（ x），那么就有m01( ) dtx xtσ = σ （2-2）b206( ) ( ) d2ttx x xtσ = σ （2-3）

外插法,线性,应力梯度,外推

方法适用于应力梯度较小的情况；如果应力梯度大，那么就要采用三点二插值法，三点二次插值如图 2-4 所示。两种方法的计算公式分别为：2 s 1 1 s 2hot2 1σ ( ) σ( )σ = x x x xx x（2-4）2 3 3 2 1 1 3 1 3 2 1 2 2 1 3hot2 3 3 2 1 3 1 3 1 2 2 1- ( )+ - ( )+ - ( )- + - + -s s sx x x x x x x x x x x x x x xx x x x x x x x x x x xσ σ σσ =（）（）（）（）（）（）（2-5）中：hotσ 为焊趾处的热点应力；x1、x2、x3分别为外推点 1、2、3 与热点之的距离；s 1σ ( x )、s 2σ ( x )、s 3σ ( x )分别为外推点 1、2、3 处的结构正应力。

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