平板对接焊钢结构构件焊接节点低周疲劳破坏机理研究

发布时间：2020-03-29 04:28

【摘要】：地震发生时,钢结构焊接节点的焊缝处承受极大的交变载荷作用,可能产生疲劳裂纹,进而造成结构焊接节点的破坏,此时材料的主要失效形式为高应变低周疲劳损伤和断裂。因此,为避免钢结构焊接节点疲劳损伤破坏,有必要对钢构件焊缝的低周疲劳破坏机理与疲劳寿命预测方法开展深入研究。本文以工程中常用的平板对接焊构件为研究对象,首先对焊接构件疲劳断裂理论和裂纹扩展的Paris公式进行阐述。运用高精度、高像素的显微测量仪观测平板对接焊构件低周疲劳加载过程中焊接节点区的疲劳裂纹出现及开展情况,结合金属焊接结构的疲劳断裂理论,定性分析了平板对接焊构件焊接节点区在低周往复荷载下疲劳裂纹的演化规律。试验研究表明;在近门槛扩展阶段,疲劳裂纹的扩展速率很小;在高速扩展区,裂纹扩展速率升高;当疲劳循环的最大应力强度接近材料的破坏临界值时,裂纹扩展速率急剧增加,最终主裂纹贯通导致构件断裂。对不同形式的Q345平板对接焊构件开展等幅高应变低周疲劳试验研究,加载过程中通过三维数字图像相关方法(3D-DIC系统)对试件焊缝及其热影响区在疲劳加载全过程中的应变值进行测量。采用传统应变数据采集TDS方法与3D-DIC系统采集的应变数据进行比对,结果表明13个试件两种试验数据采集方法的数值相差均小于15%,可见3D-DIC系统可有效地对本文研究的平板对接焊构件进行应变数据采集。试验研究表明,随着低周疲劳加载圈数的增多,试件焊缝区的应变数值明显高于其他位置,最终所有试件的疲劳破坏均出现在焊缝处。不同组试件对比表明,自动焊缝的低周疲劳性能优于人工焊缝,等厚试件由于不会过早发生失稳,其低周疲劳性能优于局部厚度削弱的试件。焊缝材料在焊接过程中产生了奥氏体到马氏体转变,硬而脆的马氏组织使焊缝材料得到了硬化。因此从试件的循环应力—应变响应曲线上看,焊缝在低周循环加载过程中表现出一定的循环软化特征。试件的力—位移滞回曲线偏向受拉侧,焊缝金属在循环过程中呈现明显的拉压塑性应变不对称性,该现象表现出材料的包辛格效应。在基于平板对接焊构件疲劳性能试验研究的基础上,根据损伤力学的基本理论推导了基于连续介质损伤力学的低周疲劳寿命模型,该模型与13个Q345平板对接焊构件的低周疲劳试验结果吻合良好。在相同疲劳应变幅下,Manson-Coffin方程法和本文模型计算得到的低周疲劳寿命非常接近,而修正的通用斜率法和弹塑性缺口应力应变法由于推导模型本身的缺陷,精度相对较差。本文建立的模型所需参数均为材料疲劳分析的基本参数,通过材料低周疲劳性能试验即可获得,具有很高的适用性和可行性。
【图文】：

曲线,整体法,疲劳研究,疲劳设计

构中的非均匀应力分布情况，为此需要对结构中的应力进行详细计算。一般而言，热点应力只有在结构应力集中较大的情况才适合作为疲劳强度评定参数，例如热点应力集中系数达 10~20 的管节点结构。热点法的两个关键问题是如何计算焊接结构接头处的几何应力，即怎样获得热点应力和怎样获得“热点”对应的 S-N 曲线。结构应力的最大值称为“热点应力”，“热点”一词表明最大结构应力循环载荷的局部热效应，多数情况下的结构应力为热点处的表面应力（不考虑缺口效应）。缺口应力评定方法和断裂力学评定方法又称局部法，这种分析方法是名义应力和结构应力评定方法的发展和延伸。比较而言，名义应力法又称为“整体法”，而结构应力法是整体法与局部法之间的过渡。这种方法的基本原理认为焊接接头的疲劳破坏都是从应力集中处的最大应力处开始的，局部循环载荷是疲劳裂纹萌生和扩展的先决条件，，只要局部循环参量相同，就具有相同的疲劳性能。这样采用应力集中区域应力场的“局部参量”作为疲劳断裂的控制参量，建立具有普遍适用性的“局部参量”与循环次数之间的关系。图 1-1 表示了结构疲劳强度评定的整体法和局部法递进关系。

受力图,对接接头,受力,形式

东南大学硕士学位论文2-1 所示，疲劳裂纹萌生的主要部位如图 2-2 所示。在熔焊对接接头中，焊缝与母材的过渡处（焊趾）会产生应力集中，焊趾是焊接接头中的典型缺口。现有研究表明，对接头的应力集中大小程度主要取决于焊缝余高和焊缝母材的过渡半径以及夹角，增加高和减小过渡半径在一定程度上都会使应力集中增加。因此本课题在研究过程中，将缝突出部分磨平使得焊缝余高为零，同时尽可能使焊缝过渡部分平滑，从而降低应力中的影响。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU391

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