壓彎復雜應力下某高強鋼焊接件的疲勞特征研究.pdf

1、錐柱結合殼是潛艇和深潛器的典型結構形式和疲勞熱點部位,隨著結構尺寸的增大和新型高強鋼的應用,該熱點部位的疲勞問題變得尤為突出。工作狀態(tài)下,由于錐角的影響,錐柱結合處承受著由彎曲應力和兩向壓應力形成的壓彎復雜應力,同時還存在焊接結構殘余應力和應力集中的影響,使得該部位的疲勞研究非常復雜。
　　目前,對這一典型節(jié)點進行試件研究時,均忽略了一向或兩向壓應力,而忽略壓應力對結合處疲勞特征和裂紋壽命的影響尚未見研究,使結構疲勞問題評估中,存

2、在著不確定的因素。
　　本文以錐柱結合處典型部位的焊接試件為研究對象,通試驗和理論分析,對不同應力形式下焊接件的疲勞特征進行研究,探討壓應力對結合處疲勞性能的影響。首次提出了錐柱結合處疲勞壽命估算時,壓應力影響不可忽略的結論。首先,通過對焊接試件進行了三向加載試驗和彈塑性有限計算,分析不同應力形式下,局部應力應變值隨名義應力的變化情況。試驗和理論分析均發(fā)現:焊趾處名義應力相同時,不同應力形式下的局部應力應變值不同,壓應力的存在使其

3、明顯減小,且減小量與壓應力相對彎曲應力的比值相關。
　　分析結果用于疲勞裂紋的萌生壽命估算。然后,對預制有半橢圓表面裂紋的焊接試件,進行了三向加載的裂紋擴展試驗,分析壓應力對裂紋擴展規(guī)律的影響。試驗發(fā)現:壓應力對裂紋的半橢圓形狀未產生明顯影響,但對裂紋深度與半長度的比值a/c產生了很大的影響;結合Newman-Raju公式分析裂紋擴展速率得出,相同應力強度因子幅ΔK下,縱向壓應力使擴展速率值有一定減小,但速率隨ΔK的變化趨勢未發(fā)生

4、改變,周向壓應力明顯增加了裂紋擴展速率,且使速率隨Δk的變化趨勢更加陡峭。
　　分析結果為裂紋擴展壽命估算提供基礎。最后,根據試驗和分析得到的結果,分別基于局部應力應變方法和斷裂力學方法估算焊接件焊趾處的裂紋萌生壽命和擴展壽命,并計算疲勞裂紋總壽命。在焊趾名義應力值不變條件下,縱向壓應力和周向壓應力幾乎均使裂紋萌生壽命和裂紋擴展壽命減小;壓應力與彎曲應力比值為0.5左右時,疲勞總壽命減少量達到50％。故,進行結構的疲勞壽命安全評估