焊接橋梁鋼疲勞裂紋擴展行為研究.pdf

1、焊接橋梁結(jié)構(gòu)中裂紋的萌生以及擴展，對橋梁結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成了重大的威脅。研究焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展行為以及疲勞壽命的預(yù)測，可進行結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計，為結(jié)構(gòu)安全使用提供重要的理論基礎(chǔ)。本文以天興洲公鐵兩用長江大橋為背景，在鐵道部攻關(guān)項目”焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展速率及其應(yīng)用”的支持下，采用試驗分析與有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地研究14MnNbq 焊接橋梁鋼穿透裂紋和表面裂紋的疲勞擴展行為及壽命預(yù)測。本文的主要研究工作與成果有：
　　 (

2、1)對14MnNbq 焊接件的疲勞裂紋擴展性能進行了系統(tǒng)的試驗研究，得到了可供實際工程抗疲勞設(shè)計的基本參數(shù)。獲得了14MnNbq 母材、焊接熱影響區(qū)和焊縫試樣在應(yīng)力比R=0.05，0.25和0.50 時的擴展速率曲線和裂紋擴展門檻值。通過討論Pairs材料參數(shù)C和m 與應(yīng)力比R的關(guān)系，給出母材和焊接熱影響區(qū)試樣統(tǒng)一的裂紋擴展速率表達式。使用該表達式，任意應(yīng)力比時的擴展速率可通過R=0 時的擴展速率曲線來確定。比較母材、焊接熱影響區(qū)和焊縫

3、的擴展速率與門檻值，認為焊接熱影響區(qū)(HAZ)是焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展控制區(qū)域。這些結(jié)論對進行14MnNbq 焊接橋梁鋼的抗疲勞設(shè)計提供了試驗依據(jù)。
　　 (2)提出了一種由門檻值確定疲勞裂紋擴展閉合參數(shù)的方法。由門檻值以及裂紋擴展速率的試驗結(jié)果，給出了母材和焊接熱影響區(qū)在不同應(yīng)力比時(R=0.05，0.25和0.50)的閉合參數(shù)U。使用本文方法確定的閉合參數(shù)，不同應(yīng)力比的擴展速率趨于一致，可較好地描述應(yīng)力比R 對擴展速率的影響。

4、
　　 (3)提出了與載荷水平有關(guān)的表面裂紋疲勞擴展速率修正函數(shù)及其估計方法。該修正函數(shù)由R=0.05 時穿透裂紋和表面裂紋擴展速率的試驗結(jié)果確定，可較好的預(yù)測表面裂紋在拉伸和彎曲載荷作用下，不同應(yīng)力比R=0.05，0.25和0.50 時的擴展速率?；诖?，給出了表面裂紋疲勞擴展形狀變化與壽命的分析預(yù)測。通過與大量表面裂紋的試驗結(jié)果相比較，驗證了本文所提出方法的可用性。這些結(jié)論為含表面裂紋焊接橋梁結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計提供了試驗和理論

5、依據(jù)。
　　 (4)在虛擬裂紋閉合方法(VCCT)的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有的近似裂紋前沿方法(zigzag approximate crack front)進行了一系列的修正和改進，包括虛擬閉合面積的修正，節(jié)點張開位移的修正。本文修正方法與現(xiàn)有方法進行了比較，結(jié)果表明，本文方法確定的虛擬閉合面積滿足幾何連續(xù)假設(shè)，且使用本文方法可用來處理裂紋前沿非對稱的有限元模型。
　　 (5)詳細評價了本文修正的近似裂紋前沿方法在確定能量釋放率

6、G 時的計算精度。本文修正方法適用于兩種網(wǎng)格模型：精確網(wǎng)格模型和鋸齒(zigzag)形網(wǎng)格模型。使用精確網(wǎng)格模型時，有限元中裂紋尖端的節(jié)點位置與實際裂紋前沿精確吻合。本文修正方法的計算結(jié)果與解析結(jié)果以及其他有限元結(jié)果吻合較好，誤差較小。使用zigzag 網(wǎng)格模型時，裂紋尖端的節(jié)點位置與實際裂紋前沿不需嚴格匹配。因此，可用簡單的有限元模型模擬任意形狀的裂紋前沿，且在計算裂紋擴展時不需要使用自適應(yīng)的重新劃分網(wǎng)格技術(shù)。局限在于，計算獲得的能量

7、釋放率G 呈鋸齒形震蕩分布。本文提出的修正方法與現(xiàn)有方法進行了比較，結(jié)果表明，使用本文修正方法確定的能量釋放率G的計算精度高于現(xiàn)有近似裂紋前沿方法的結(jié)果。
　　 (6)采用本文給出的修正的近似裂紋前沿方法，進一步研究了復(fù)雜裂紋擴展的三維有限元模擬。采用精確網(wǎng)格模型時，使用Paris 公式計算裂紋擴展。以表面裂紋為例，給定Paris 公式，可獲得與試驗結(jié)果吻合的形狀變化和擴展壽命結(jié)果，從而驗證了本文方法的有效性。采用zigzag