HTS-A鋼對接接頭的雙軸低周疲勞壽命研究.pdf

1、工程中,焊接結(jié)構(gòu)通常承受復(fù)雜的多軸循環(huán)載荷作用,焊縫區(qū)通常是疲勞失效的熱點區(qū)域。因此研究焊接結(jié)構(gòu)在復(fù)雜應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下的多軸疲勞更加具有實際意義。潛艇錐柱結(jié)合殼焊縫區(qū)是潛艇疲勞破壞的熱點,該區(qū)受力狀態(tài)為沿潛艇縱向的彎曲應(yīng)力、縱向壓應(yīng)力和環(huán)向壓應(yīng)力等復(fù)雜比例循環(huán)應(yīng)力。
　　本文結(jié)合實際結(jié)構(gòu)復(fù)雜的受力情況,在不考慮縱向壓應(yīng)力的前提下研究HTS-A鋼對接接頭在縱向彎曲、垂向受壓循環(huán)比例加載狀態(tài)下的雙軸疲勞壽命。在研究中,將疲勞壽命分為工程

2、意義上的裂紋萌生壽命和裂紋擴展壽命,并分別從試驗和理論分析兩方面研究了HTS-A鋼對接接頭的疲勞壽命。采用35mm厚HTS-A鋼對接焊接試件分別進(jìn)行縱向彎曲單軸疲勞試驗,縱向受彎和垂向受壓雙軸疲勞試驗。MTS四通道結(jié)構(gòu)加載試驗與分析系統(tǒng)和本課題組自行設(shè)計的多向疲勞加載工裝,可實現(xiàn)單向疲勞循環(huán)加載和多向疲勞循環(huán)加載。由于試驗設(shè)備和工裝的復(fù)雜性,國內(nèi)外尚無該雙軸疲勞試驗的報道,本次試驗研究屬國內(nèi)首創(chuàng)。試驗過程中提出了“試劑觀測法”和“銹跡勾

3、線法”,分別適用于監(jiān)測初始裂紋的產(chǎn)生和追蹤疲勞裂紋形貌的擴展,由于對傳統(tǒng)方法做了一定的改進(jìn),因此更加具有實用性。
　　本次試驗得到了對接接頭彎曲單軸疲勞和壓彎雙軸疲勞的斷口形式和疲勞壽命。試驗結(jié)果表明,工程意義上的疲勞裂紋萌生壽命是不可忽略的。垂向循環(huán)壓力載荷縮短了試件的疲勞壽命,加快了試件的疲勞破壞。另外,垂向循環(huán)載荷對萌生壽命的影響大于對擴展壽命的影響。隨著垂向壓應(yīng)力和縱向彎曲應(yīng)力比的增大,擴展壽命所占總壽命的百分比越來越大,

4、而萌生壽命所占總壽命的百分比則越來越小。在估算裂紋萌生壽命時,通過有限元軟件ANSYS分析試件在單軸加載狀態(tài)下的應(yīng)力集中系數(shù),采用多軸Neuber法計算雙軸加載狀態(tài)下的局部應(yīng)力應(yīng)變和循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變幅;結(jié)合不同的應(yīng)變一壽命模型計算疲勞裂紋萌生壽命,并考慮平均應(yīng)力和殘余應(yīng)力的影響。與試驗結(jié)果對比,認(rèn)為采用臨界平面法估算對接接頭在縱向受彎和垂向受壓循環(huán)加載狀態(tài)下的疲勞裂紋萌生壽命較為準(zhǔn)確。而且對比發(fā)現(xiàn),估算焊接試件的疲勞萌生壽命時考慮平均應(yīng)力和

5、殘余應(yīng)力的影響是有必要的。
　　在估算裂紋擴展壽命時,由于雙軸疲勞試驗中試件斷口形式是以Ⅱ型裂紋為主導(dǎo)的Ⅰ型/Ⅱ型混合型裂紋,因此本文基于最大剪切面上的剪應(yīng)力和法向應(yīng)力提出一種新的等效應(yīng)力強度因子幅。該應(yīng)力強度因子幅考慮了裂紋擴展中最大剪切面上剪切力的主導(dǎo)作用和法向應(yīng)力的副作用,具有一定的物理意義。在疲勞裂紋擴展壽命估算時,采用新的等效方法計算應(yīng)力強度因子幅,并結(jié)合單軸彎曲疲勞的Paris公式進(jìn)行計算。當(dāng)取合適的材料參數(shù)時估算結(jié)果