残余应力场对超高强钢焊接接头疲劳裂纹扩展行为的影响

发布时间：2017-03-27 00:04

  本文关键词：残余应力场对超高强钢焊接接头疲劳裂纹扩展行为的影响，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：为满足船舶与海洋结构的大型化、轻量化要求，更高强度的合金钢材料得以广泛应用。船体通常为大型焊接结构，然而高强度伴随而来的是对材料焊接性的挑战。研究表明，多数结构的疲劳断裂都发生焊接接头，而对其疲劳裂纹扩展行为却缺乏细致研究。焊接冷裂纹等缺欠会降低结构的疲劳寿命。残余应力对焊接接头疲劳裂纹的扩展具有重要的影响。 本文首先研究不含残余应力的焊接接头的疲劳裂纹扩展速率，通过有限元模拟技术，对平板对接堆焊接头试样的残余应力场以及焊后疲劳裂纹扩展过程进行了模拟分析。研究了残余应力对外加循环载荷最大值及应力比的影响以及最终对裂纹扩展速率的影响。并得出了统一的疲劳裂纹扩展速率的归一化公式。主要研究内容如下所述： 研究了焊态和退火态的接头组织及性能变化，结果表明去应力退火对焊接接头组织及硬度影响较小，退火后残余应力明显减小，接近无残余应力状态。对母材及退火态的焊接接头在进行裂纹扩展速率试验，得到无残余应力影响时疲劳裂纹的扩展规律。结果表明，在双对数坐标系下，疲劳裂纹扩展速率曲线都保持良好的线性关系；在焊缝中，随着应力比的增大，da/dN-K曲线向左发生偏移，扩展速率增大。在母材中由于“裂纹闭合”作用，曲线表现出与之不同的规律。提出满足不同条件的疲劳裂纹扩展速率曲线表达式da/dN=C[f(R) K]m，其中f(R)是关于应力比的函数。 运用有限元数值模拟焊后残余应力场以及疲劳裂纹扩展过程，得到残余应力的重分布规律:随着裂纹的扩展，残余应力不断发生重分布，应力峰值逐渐降低。计算得到不同裂纹长度时残余应力作用下的应力强度因子Kres。结果表明，随着裂纹的扩展，Kres不断减小，，残余应力对裂纹扩展的影响减弱。 通过中心裂纹疲劳拉伸试验获得残余应力作用下焊接接头的疲劳裂纹扩展速率曲线，不同应力比下曲线离散分布。用模拟得到的Kres对应力比进行修正，最终得到了残余应力场中疲劳裂纹扩展速率曲线归一化的表达式da/dN=C[f(Reff) K]m，Reff为修正后的有效应力比，该公式具有很好的归一化效果。
【关键词】：超高强钢 残余应力重分布 应力强度因子 疲劳裂纹扩展 有效应力比
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TG457.11;TG407
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题背景及研究意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-17
• 1.2.1 焊接残余应力有限元模拟10-12
• 1.2.2 疲劳裂纹扩展速率的基本公式研究12-16
• 1.2.3 残余应力对疲劳裂纹扩展速率的影响16-17
• 1.3 本课题主要研究内容17-19
• 第2章 实验方法简介19-24
• 2.1 引言19
• 2.2 试验材料19
• 2.3 焊接试验19
• 2.4 焊接温度场及残余应力的测量方法19-21
• 2.5 焊接接头性能测试方法21-22
• 2.5.1 室温拉伸试验21
• 2.5.2 金相组织观察及硬度测试21-22
• 2.6 疲劳裂纹扩展速率试验22-23
• 2.7 本章小结23-24
• 第3章 无残余应力接头疲劳裂纹扩展速率特性研究24-40
• 3.1 引言24
• 3.2 材料与试样准备24-28
• 3.2.1 试样的残余应力测量24-25
• 3.2.2 试样金相分析25-27
• 3.2.3 试样硬度测试与分析27-28
• 3.3 试验原理28
• 3.4 试验方法28-29
• 3.5 疲劳裂纹扩展速率测试结果和分析29-31
• 3.6 疲劳裂纹扩展速率曲线的归一化处理31-35
• 3.7 残余应力对 da/dN 影响的初步定量分析35-38
• 3.8 本章小结38-40
• 第4章 焊接残余应力的有限元模拟40-50
• 4.1 引言40
• 4.2 材料性能参数研究40-42
• 4.2.1 室温拉伸性能40-41
• 4.2.2 材料高温拉伸性能及热物理性能41-42
• 4.3 有限元模型的建立42-45
• 4.3.1 平板对接堆焊模型的建立及网格的划分42
• 4.3.2 有限元模型准确性验证42-44
• 4.3.3 焊后冷裂纹扩展过程有限元模型的建立44-45
• 4.4 有限元模型计算结果45-47
• 4.4.1 塑性区分布情况45-46
• 4.4.2 残余应力的计算结果46-47
• 4.5 残余应力作用下应力强度因子 Kres的计算47-49
• 4.5.1 应力法47-48
• 4.5.2 解析法48-49
• 4.6 本章小结49-50
• 第5章 焊接残余应力对疲劳裂纹扩展特性的影响50-63
• 5.1 引言50
• 5.2 试验方案50-51
• 5.3 实验数据处理51-56
• 5.3.1 有限单元法求解应力强度因子51-55
• 5.3.2 实验结果55-56
• 5.4 实验结果分析56-59
• 5.4.1 试样类型的影响56-57
• 5.4.2 组织的影响57
• 5.4.3 残余应力与应力比的影响57-59
• 5.5 残余应力场中疲劳裂纹扩展速率曲线归一化59-61
• 5.6 本章小节61-63
• 结论63-64
• 参考文献64-69
• 致谢69

【参考文献】

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1 黄小平,韩芸,崔维成,万正权,卞如冈;变幅载荷作用下焊接接头疲劳寿命预测方法[J];船舶力学;2005年01期

2 张瑞华;片山

本文编号：269552