典型焊接接頭疲勞裂紋擴(kuò)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(qiáng)度鋼焊接而成，在焊接的過(guò)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(huì)影響結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)應(yīng)力，從而影響結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的評(píng)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(huì)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(kuò)展，擴(kuò)展過(guò)程中焊接殘余應(yīng)力的重分布又進(jìn)一步對(duì)裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生影響。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)

2、于含初始裂紋結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力的研究相對(duì)較少，且對(duì)于高強(qiáng)度鋼裂紋擴(kuò)展過(guò)程中焊接殘余應(yīng)力重分布的研究也鮮有文獻(xiàn)發(fā)表。因此，對(duì)高強(qiáng)度鋼焊接接頭裂紋擴(kuò)展中焊接殘余應(yīng)力重分布的研究，對(duì)于準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)高強(qiáng)度鋼焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)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(kuò)展相關(guān)理論，對(duì)平板焊接接頭和拉伸焊接接頭兩種高強(qiáng)度鋼典型焊接接頭的焊接殘余應(yīng)力以及疲勞裂紋擴(kuò)展中殘余應(yīng)力的重分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。主要的研究工作及結(jié)

3、論如下：
　　（1）對(duì)兩種焊接接頭完整結(jié)構(gòu)的初始焊接殘余應(yīng)力進(jìn)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(duì)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(qiáng)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(guò)數(shù)值模擬的方法計(jì)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(guò)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(gè)裂尖處出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力最大值。
　　（3）對(duì)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(kuò)展。計(jì)算得到在裂紋擴(kuò)展過(guò)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(qiáng)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(kuò)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(shí)相同，但大小發(fā)生變化。隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，殘余拉應(yīng)力最大值逐漸增加，且裂紋擴(kuò)展速率也越來(lái)越快。
　?。?）對(duì)拉伸焊接接頭的初始焊接殘余應(yīng)力及裂紋擴(kuò)展中殘余應(yīng)力的重分布研究