双相大应变管线钢管焊接接头疲劳行为的模拟研究

发布时间：2020-06-11 20:17

【摘要】：在超载及循环应力作用下管线裂纹的萌生及扩展是引起管线破坏最危险的形式之一。钢管的疲劳裂纹萌生扩展及寿命是管线安全设计及运行完整性评价的重要参数。本文采用ANSYS Workbench有限元分析软件,结合疲劳试验数据,对大应变管线钢焊接接头疲劳行为进行了研究,在此基础上,建立管线钢管疲劳模拟分析模型,系统分析了焊缝几何尺寸对疲劳裂纹萌生位置及寿命的影响。管线钢焊接接头的疲劳模拟结果表明,疲劳寿命的最小位置出现在内焊缝的焊趾处,其疲劳断裂的循环周次为1.1302×10~5 N;这与疲劳试样的试验结果相一致,即疲劳试样的裂纹萌生位置也在内焊缝的焊趾处,其疲劳断裂循环周次为1.1×10~5 N。等效交变应力分析表明,其等效交变应力最大点出现在内焊缝焊趾处,疲劳裂纹萌生位置与等效应力的最大值相一致。管线钢管焊接接头疲劳裂纹萌生位置模拟结果与管线钢焊接接头的模拟结果相一致,疲劳裂纹萌生位置仍为内焊缝的焊趾处,其疲劳寿命为1.0497×10~5 N。与管线钢焊接接头相比,疲劳寿命略有降低,这与钢管三维受力状态有关。等效应力分析结果表明,等效交变应力最大点出现在焊缝金属处,略大于内焊缝焊趾处应力。钢管焊缝几何尺寸对疲劳性能的模拟结果表明,疲劳寿命最低点的位置均出现在焊缝熔深较小一侧的焊趾处,且随着熔宽和熔深的增加,焊趾处等效交变应力减小,疲劳寿命增加。
【图文】：

第 1 章 绪 论经过熔化、冷却和凝固焊接材料与部分母材材料，形成的铸造结构是焊缝金属，最终形成共析铁素体和针状铁素体，强度很大，硬度很高。熔合区，又称为熔合线，是焊缝金属与热影响区的交界处，为熔化状态。熔合区的晶粒比较粗大，组织性能不稳定，较易导致裂纹和脆断。当加热温度上升到 1200℃以上时，由原始组织转化形成的奥氏体晶粒长大，在冷却到室温后得到晶粒粗大的过热组织，称之为粗晶区。此区域组织粗大，，韧性大幅度降低，容易发生断裂，裂纹也易在此区域萌生。加热温度在 1200℃~Ac3范围内，原始组织转变为奥氏体组织，由于加热速度较快，高温停留时间较短，奥氏体组织晶粒细小，称之为细晶区，该区域综合性能比较良好。临界区和亚临界区距焊缝中心距离较远，尤其亚临界区，组织和母材接近，不作为本文的研究重点。

第 2 章 管线钢焊接接头疲劳寿命模拟研究第 2 章 管线钢焊接接头疲劳寿命模拟研究按照断裂时所经历的循环周次的高低，将疲劳进行分类，可分为高周疲劳和低周疲劳。本文研究的是焊接接头的高周疲劳。本章首先进行了疲劳寿命的试验研究在此基础上建立了管线钢焊接接头的模型，来进行疲劳寿命和裂纹萌生点位置以及等效交变应力的模拟研究。2.1 管线钢疲劳寿命的试验结果疲劳试验试样是从 Φ1219×26.4mm 的双相大应变管线钢管上垂直于焊缝方向切下的，图 2-1 为 Φ1219×26.4mm 的双相大应变管线钢管的示意图，其中白色部分代表焊缝，试样垂直于其方向截取，然后将截取的部分压平，如图 2-2 所示。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE973.3;TG405

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本文编号：2708401