典型焊接接頭疲勞裂紋擴展中焊接殘余應(yīng)力及其重分布研究.pdf

1、一些大型海洋結(jié)構(gòu)物包括船舶等結(jié)構(gòu)多數(shù)由高強度鋼焊接而成，在焊接的過程中，焊接接頭的局部產(chǎn)生了不均勻熱塑性相變以及變形，因此形成了具有自平衡特性的焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力的存在會影響結(jié)構(gòu)的熱點應(yīng)力，從而影響結(jié)構(gòu)疲勞強度的評估效果。另外，研究發(fā)現(xiàn)，許多大型海洋鋼結(jié)構(gòu)物在焊趾處較易萌生表面裂紋，裂紋的產(chǎn)生會使焊接殘余應(yīng)力發(fā)生重分布。并且，在循環(huán)載荷作用下，裂紋發(fā)生擴展，擴展過程中焊接殘余應(yīng)力的重分布又進一步對裂紋擴展產(chǎn)生影響。目前，國內(nèi)外對

2、于含初始裂紋結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力的研究相對較少，且對于高強度鋼裂紋擴展過程中焊接殘余應(yīng)力重分布的研究也鮮有文獻發(fā)表。因此，對高強度鋼焊接接頭裂紋擴展中焊接殘余應(yīng)力重分布的研究，對于準確的預(yù)報高強度鋼焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度具有重要的參考意義。
　　本文基于熱-彈塑性相關(guān)理論以及疲勞裂紋擴展相關(guān)理論，對平板焊接接頭和拉伸焊接接頭兩種高強度鋼典型焊接接頭的焊接殘余應(yīng)力以及疲勞裂紋擴展中殘余應(yīng)力的重分布規(guī)律進行了數(shù)值模擬研究。主要的研究工作及結(jié)

3、論如下：
　?。?）對兩種焊接接頭完整結(jié)構(gòu)的初始焊接殘余應(yīng)力進行數(shù)值模擬分析，得到兩種焊接接頭的初始焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。并分別對兩種接頭施加不同大小的軸向拉伸外載荷，研究不同外載荷作用下軸向焊接殘余應(yīng)力的變化。結(jié)果表明：兩種高強度鋼焊接接頭完整結(jié)構(gòu)的軸向焊接殘余應(yīng)力均在焊縫中心以及焊趾處較大。在施加不同軸向拉伸載荷后，其焊縫附近的殘余拉應(yīng)力得到釋放，且載荷越大，殘余拉應(yīng)力釋放得也越多。
　?。?）在兩種完整焊接接頭的焊趾

4、處引入半橢圓形表面裂紋，通過數(shù)值模擬的方法計算含初始裂紋的焊接接頭的殘余應(yīng)力重分布規(guī)律。結(jié)果表明：在焊趾處引入表面裂紋后，兩種焊接接頭的殘余拉應(yīng)力最大值均由焊縫附近過渡到裂紋前緣處，由裂紋前緣向模型表面殘余應(yīng)力逐漸由殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。平板焊接接頭在裂紋前緣深度最深處出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力最大值。拉伸焊接接頭在裂紋前緣與焊接接頭表面相交的兩個裂尖處出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力最大值。
　　（3）對含初始表面裂紋的拉伸焊接接頭施加軸向拉伸外載荷，

5、外載荷與殘余應(yīng)力疊加形成合應(yīng)力使裂紋發(fā)生擴展。計算得到在裂紋擴展過程中焊接殘余應(yīng)力的重分布規(guī)律以及考慮殘余應(yīng)力的應(yīng)力強度因子的變化規(guī)律。結(jié)果表明：含初始表面裂紋的拉伸焊接接頭在1t軸向外載荷作用下，裂紋發(fā)生擴展，殘余應(yīng)力發(fā)生重分布。殘余應(yīng)力的分布規(guī)律與含初始裂紋時相同，但大小發(fā)生變化。隨著裂紋的不斷擴展，殘余拉應(yīng)力最大值逐漸增加，且裂紋擴展速率也越來越快。
　　（4）對拉伸焊接接頭的初始焊接殘余應(yīng)力及裂紋擴展中殘余應(yīng)力的重分布研究