基于斷裂參量K因子的焊接接頭等承載設(shè)計(jì).pdf

1、為減輕結(jié)構(gòu)重量并保證結(jié)構(gòu)的承載能力,高強(qiáng)鋼以其高的強(qiáng)度和良好的塑韌性廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑、航空航天等領(lǐng)域。焊接作為一種高效的連接方法,廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。由于焊接過(guò)程的特殊性,使得焊接缺陷不可避免,導(dǎo)致焊接接頭容易產(chǎn)生低應(yīng)力脆斷破壞,顯著降低了接頭的承載能力,給焊接接頭設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的局限性。為提高易產(chǎn)生缺陷的焊接接頭的承載能力,本文從斷裂力學(xué)角度出發(fā),提出了基于應(yīng)力強(qiáng)度因子(K因子)的焊接接頭等承載設(shè)計(jì)思想,并給出了接頭含不同缺陷時(shí)

2、的等承載設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,使用該準(zhǔn)則可以設(shè)計(jì)出承載能力與母材相當(dāng)?shù)暮附咏宇^。
　　對(duì)于焊縫和母材區(qū)都含缺陷的接頭而言,提出了焊縫和母材區(qū)的K因子比值與焊縫金屬和母材金屬的斷裂韌度比值相等時(shí)即可滿足等承載要求的設(shè)計(jì)思想;對(duì)于焊縫區(qū)存在缺陷而母材區(qū)無(wú)缺陷的接頭而言,提出了焊縫區(qū)裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界應(yīng)力與母材的抗拉強(qiáng)度相等時(shí)即可滿足等承載要求的設(shè)計(jì)思想;對(duì)于焊縫區(qū)無(wú)缺陷而母材區(qū)存在缺陷的接頭而言,提出了母材區(qū)裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界應(yīng)力與焊縫區(qū)峰值應(yīng)力

3、相等且不高于焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度時(shí)即可滿足等承載要求的設(shè)計(jì)思想;本文主要針對(duì)前兩種接頭的等承載設(shè)計(jì)進(jìn)行討論和研究。
　　本文研究了接頭形狀參數(shù)對(duì)含中心裂紋和單邊裂紋對(duì)接接頭形狀因子的影響規(guī)律,研究表明,使用不考慮余高影響的傳統(tǒng)的形狀因子表達(dá)式計(jì)算含缺陷接頭的形狀因子是不合理的。提出了一種獲得含裂紋復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀因子表達(dá)式的新方法,即首先采用有限元法研究結(jié)構(gòu)各形狀參數(shù)對(duì)其形狀因子的影響規(guī)律,再引入一個(gè)能夠統(tǒng)一各形狀參數(shù)對(duì)形狀因子影響規(guī)律

4、的幾何不連續(xù)形狀協(xié)調(diào)參數(shù),最后對(duì)具有不同形狀參數(shù)結(jié)構(gòu)的有限元結(jié)果以形狀協(xié)調(diào)參數(shù)為自變量進(jìn)行擬合,獲得在傳統(tǒng)形狀因子表達(dá)式基礎(chǔ)上的修正系數(shù)方程,進(jìn)而獲得較傳統(tǒng)表達(dá)式更準(zhǔn)確的形狀因子表達(dá)式。本文利用該方法獲得了考慮余高形狀影響時(shí)的含中心裂紋和單邊裂紋對(duì)接接頭受單向拉伸載荷作用時(shí)的形狀因子表達(dá)式。本文給出表達(dá)式能夠更有效的指導(dǎo)含中心裂紋和單邊裂紋對(duì)接接頭的形狀設(shè)計(jì),并可獲得相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子、臨界應(yīng)力、臨界裂紋尺寸以及剩余壽命,以便對(duì)其進(jìn)行安

5、全性評(píng)估。
　　運(yùn)用有限元法獲得含缺陷復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀因子和K因子,需進(jìn)行有限元建模、邊界條件和材料屬性的定義、加載計(jì)算以及數(shù)據(jù)處理等一系列步驟,過(guò)程繁瑣。為提高含缺陷復(fù)雜形狀接頭K因子的計(jì)算效率和準(zhǔn)確度,本文開(kāi)發(fā)了含缺陷焊接接頭K因子計(jì)算系統(tǒng),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,可獲得具有一定接頭形狀的含缺陷接頭的形狀因子和K因子表達(dá)式。本文開(kāi)發(fā)了基于斷裂參量K因子的焊接接頭等承載設(shè)計(jì)系統(tǒng),可確定等承載接頭的形狀參數(shù),并能計(jì)算服役的含缺陷等承載接頭

6、的K因子、裂紋尖端張開(kāi)位移、J積分以及接頭剩余壽命,有利于對(duì)服役的等承載接頭進(jìn)行安全評(píng)估,進(jìn)一步推廣了等承載設(shè)計(jì)思想及應(yīng)用。
　　對(duì)焊縫和母材都含缺陷等承載接頭進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,拉伸和疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于按照等承載接頭形狀參數(shù)設(shè)計(jì)的焊縫和母材都含中心裂紋或者單邊裂紋的對(duì)接接頭而言,即使焊縫區(qū)裂紋尺寸大于母材區(qū)裂紋尺寸,所有試件均斷于含裂紋母材處,滿足焊縫不先于母材破壞的等承載要求;對(duì)焊縫含缺陷母材無(wú)缺陷等承載接頭進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)

7、于按照等承載接頭形狀參數(shù)設(shè)計(jì)的焊縫含中心裂紋或者單邊裂紋母材無(wú)缺陷的對(duì)接接頭而言,所有拉伸試件均斷于焊趾附近的母材處,且抗斷應(yīng)力達(dá)到母材的抗拉強(qiáng)度,滿足等承載要求。所有疲勞試件均斷于含裂紋焊縫處,其疲勞壽命遠(yuǎn)高于含相同缺陷承受相同疲勞載荷的普通接頭的疲勞壽命。
　　基于斷裂參量K因子的含缺陷等承載接頭的危險(xiǎn)截面從焊縫區(qū)域向母材區(qū)域轉(zhuǎn)移,保證焊縫區(qū)不先于母材區(qū)破壞,接頭承載能力能夠達(dá)到母材的承載能力。焊接接頭K因子計(jì)算系統(tǒng)能夠計(jì)算含