含埋藏裂纹的Q420R钢T型接头疲劳寿命快速评价
发布时间：2021-06-24 07:55
含缺陷焊接结构的疲劳评估是压力容器疲劳寿命评估研究的一个重要方面,各国也制订了含缺陷焊接结构疲劳评估的标准或规范。随着我国压力容器的发展向结构复杂化、工作环境恶劣化、大型化转变,对应的检验要求也相应的提高。在某些特殊情况下需对含缺陷的结构做出快速准确的评价,但目前国内相应的标准或规范尚未达到这一要求,而英国标准BS7910基于合于使用原则下实现了对含缺陷结构的疲劳寿命快速评估,但标准中有关裂纹的等效基础以及裂纹尺寸等效图和疲劳等级图的来历尚缺乏详细的介绍。本文以T型焊接接头为研究对象,针对接头中含埋藏裂纹和焊趾处表面裂纹的疲劳裂纹扩展寿命问题进行了探讨,并对其中焊趾处表面裂纹的等效基础以及埋藏裂纹的扩展模式进行了分析计算,为我国制定相关的评价标准提供理论依据。Q420R钢是一种新被纳入压力容器专用钢板中的新材料,该材料基于疲劳等级法的疲劳评估适用性需进一步研究,本文也通过对Q420R钢T型焊接接头进行了疲劳试验研究,分析研究了该材料的疲劳性能以及通过对比该接头P-S-N曲线与疲劳等级法中的曲线研究了该材料基于疲劳等级法疲劳寿命评估的适用性。对我国制定相关评定标准提供理论及数据支撑,本文...
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
名义应力S-N曲线[14]
含埋藏裂纹的Q420R钢T型接头疲劳寿命快速评价5图1-2过渡半径对集中应力的影响[16]Figurea1-2.Influenceofthefictitiousradiusonthescatter由于焊趾处结构的不连续性导致应力相对集中，因此T型焊接接头疲劳断裂失效主要发生在熔合区焊趾处。很多学者也对此做了很多研究。M.R.Nikfam等[18]在等幅三点弯曲条件下，对钢材焊接T型接头进行了一系列的高周疲劳试验，并用扩展有限元法对实验进行了仿真，其中利用水平集函数对裂纹及其扩展进行了表征，消除了再画网格的需要。结果表明，扩展有限元法对裂纹扩展、扩展速度、破坏循环次数、裂纹形状和最终裂纹尺寸的预测与实验结果吻合较好。扩展有限元法预测的疲劳寿命平均误差在-20.7%到+0.9%之间。从数值模型得到的断口形貌与相应的实验形貌基本吻合。武锐锋等[19]通过三维的仿真软件模拟了焊趾处表面裂纹应力强度因子校正因子的变化规律，然后与BS7910标准中推荐的典型节点表面裂纹校正因子的计算结果进行了对比。结果显示：焊趾处表面裂纹沿深度方向的应力强度因子的修正系数和模拟出来的修正系数相差不大。而在沿裂纹长度方向在板厚范围内和模拟结果也相差不大，但超出范围后相差较大。而对于含裂纹T型焊接结构疲劳寿命评估的研究较少，仍需要进一步研究。1.3.2焊接结构疲劳寿命分析方法焊接结构中的疲劳强度理论是将在金属结构通用的疲劳理论应用在焊接结构中[20,21]，国际焊接学会（IIW）把焊接结构疲劳寿命分析方法分为四大类[22,23]：热点应力法，断裂力学方法，名义应力法，有效缺口应力方法。近年来，疲劳等级法也得到了迅速地发展。由于其评价的快速性，引起了工程界的广泛关注和重视，也逐渐受到了很多研究疲劳寿命分析方法学者的关注：（1）名义应力法该方法相对其他分析方法来
浙江工业大学硕士学位论文8的疲劳等级低，就认为该结构中的缺陷是可以被接受的，反之认为不可接受。然而，该标准中关于该方法适用于裂纹的理论基础及等效原理尚缺乏详细的论述，国内标准也尚未采用该方法对裂纹进行疲劳评定。1.4BS7910中疲劳寿命评估方法BS7910标准中关于疲劳寿命评估的方法主要有两种，一种是基于断裂力学对含缺陷结构的疲劳寿命进行评估，还有一种是基于疲劳等级评定方法对含裂纹结构的疲劳寿命进行评估。这两种方法的评估对象都是对有初始裂纹尺寸的结构进行寿命评估，也可对含裂纹结构的剩余寿命进行评估。1.4.1基于断裂力学的裂纹扩展理论裂纹扩展理论的研究少不了对断裂力学这一学科的研究，因为断裂力学就是一门研究裂纹尖端应力场变化以及裂纹扩展规律的学科。断裂力学分析是一种研究含裂纹的材料中裂纹是否扩展和裂纹如何扩展的力学分析方法。且断裂力学方法可用于合理解释低应力脆性断裂事故的原因。断裂力学的出现改变了只要安全系数够高，就能保证结构安全的思想[45]。裂纹通常根据其几何特性分为贯穿裂纹，表面裂纹，角裂纹，埋藏裂纹等。线弹性裂纹扩展和断裂是由K的大小来确定，因此，在断裂力学中计算相关裂纹的应力强度因子至关重要。经典的Paris公式是由Paris经大量的疲劳试验总结出来的裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子K之间的关系。因此建立了经典的Paris公式，两边取对数可得到如下图1-3所示的曲线。图1-3da/dN与K的关系曲线Figure1-3.Relationcurvebetweenda/dNandK
【参考文献】：
期刊论文
[1]大壁厚Q420高强结构钢焊接裂纹失效分析[J]. 张明,崔勇,刘振伟,杨烽. 焊管. 2019(10)
[2]Q420R压力容器用钢板焊接工艺评定研究[J]. 姚小静,韩伟,杜洪阳. 焊接技术. 2019(08)
[3]罐车用Q420R钢焊接接头力学性能试验研究[J]. 徐琛,张计谋,刘立彪,程浩轩,谭小斌,何福晶. 金属材料与冶金工程. 2018(06)
[4]含表面裂纹焊接结构疲劳评定的质量等级方法[J]. 杨建国,郝建松,李曰兵,郑文健,高增梁,张鹏程. 机械工程学报. 2018(14)
[5]海底管道基于风险和可靠性理论的合于使用评价[J]. 陈秋华,崔矿庆,卢进,邵辉,晁阳. 油气田地面工程. 2018(02)
[6]汽车罐车罐内E类焊接接头检验的探讨[J]. 高万东. 化工机械. 2018(01)
[7]基于裂纹闭合效应的疲劳裂纹扩展特性研究[J]. 王爱君,栾春光. 煤矿机械. 2018(02)
[8]焊后热处理温度对Q420R性能与组织的影响[J]. 刘立彪,张计谋,谭小斌,龙渊,杨文志. 世界有色金属. 2017(23)
[9]焊接结构抗疲劳设计理论与方法[J]. 兆文忠,李向伟,董平沙. 焊接技术. 2017(08)
[10]镁合金焊接接头疲劳性能研究进展[J]. 邓海鹏,何柏林. 兵器材料科学与工程. 2016(04)
博士论文
[1]多轴载荷下含埋藏裂纹结构的断裂分析与结构完整性评定方法研究[D]. 吕原君.浙江工业大学 2018
[2]三维复合型脆性断裂行为的数值计算与实验研究[D]. 朱莉.哈尔滨工程大学 2012
[3]高速列车结构热点应力疲劳评定方法及应用研究[D]. 王斌杰.北京交通大学 2008
硕士论文
[1]在役含缺陷压力容器安全评估方法研究[D]. 杜圆.哈尔滨工程大学 2016
[2]高速列车车体铝合金横梁疲劳可靠性研究[D]. 邱凡.北京交通大学 2015
[3]热点应力法及其在起重机金属结构中的应用[D]. 陈飞宇.武汉科技大学 2012
[4]镁/铝合金焊接接头疲劳评定的热点应力法研究[D]. 李娟.太原理工大学 2011
[5]基于非线性应力峰值自平衡的焊接结构热点应力法[D]. 刘磊.大连理工大学 2010
[6]基于热点应力法的转向架关键部件疲劳寿命研究[D]. 王忠.西南交通大学 2006
[7]基于BS7910的X65钢焊接管线疲劳评定[D]. 刘洪伟.天津大学 2004
本文编号：3246706
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
名义应力S-N曲线[14]
含埋藏裂纹的Q420R钢T型接头疲劳寿命快速评价5图1-2过渡半径对集中应力的影响[16]Figurea1-2.Influenceofthefictitiousradiusonthescatter由于焊趾处结构的不连续性导致应力相对集中，因此T型焊接接头疲劳断裂失效主要发生在熔合区焊趾处。很多学者也对此做了很多研究。M.R.Nikfam等[18]在等幅三点弯曲条件下，对钢材焊接T型接头进行了一系列的高周疲劳试验，并用扩展有限元法对实验进行了仿真，其中利用水平集函数对裂纹及其扩展进行了表征，消除了再画网格的需要。结果表明，扩展有限元法对裂纹扩展、扩展速度、破坏循环次数、裂纹形状和最终裂纹尺寸的预测与实验结果吻合较好。扩展有限元法预测的疲劳寿命平均误差在-20.7%到+0.9%之间。从数值模型得到的断口形貌与相应的实验形貌基本吻合。武锐锋等[19]通过三维的仿真软件模拟了焊趾处表面裂纹应力强度因子校正因子的变化规律，然后与BS7910标准中推荐的典型节点表面裂纹校正因子的计算结果进行了对比。结果显示：焊趾处表面裂纹沿深度方向的应力强度因子的修正系数和模拟出来的修正系数相差不大。而在沿裂纹长度方向在板厚范围内和模拟结果也相差不大，但超出范围后相差较大。而对于含裂纹T型焊接结构疲劳寿命评估的研究较少，仍需要进一步研究。1.3.2焊接结构疲劳寿命分析方法焊接结构中的疲劳强度理论是将在金属结构通用的疲劳理论应用在焊接结构中[20,21]，国际焊接学会（IIW）把焊接结构疲劳寿命分析方法分为四大类[22,23]：热点应力法，断裂力学方法，名义应力法，有效缺口应力方法。近年来，疲劳等级法也得到了迅速地发展。由于其评价的快速性，引起了工程界的广泛关注和重视，也逐渐受到了很多研究疲劳寿命分析方法学者的关注：（1）名义应力法该方法相对其他分析方法来
浙江工业大学硕士学位论文8的疲劳等级低，就认为该结构中的缺陷是可以被接受的，反之认为不可接受。然而，该标准中关于该方法适用于裂纹的理论基础及等效原理尚缺乏详细的论述，国内标准也尚未采用该方法对裂纹进行疲劳评定。1.4BS7910中疲劳寿命评估方法BS7910标准中关于疲劳寿命评估的方法主要有两种，一种是基于断裂力学对含缺陷结构的疲劳寿命进行评估，还有一种是基于疲劳等级评定方法对含裂纹结构的疲劳寿命进行评估。这两种方法的评估对象都是对有初始裂纹尺寸的结构进行寿命评估，也可对含裂纹结构的剩余寿命进行评估。1.4.1基于断裂力学的裂纹扩展理论裂纹扩展理论的研究少不了对断裂力学这一学科的研究，因为断裂力学就是一门研究裂纹尖端应力场变化以及裂纹扩展规律的学科。断裂力学分析是一种研究含裂纹的材料中裂纹是否扩展和裂纹如何扩展的力学分析方法。且断裂力学方法可用于合理解释低应力脆性断裂事故的原因。断裂力学的出现改变了只要安全系数够高，就能保证结构安全的思想[45]。裂纹通常根据其几何特性分为贯穿裂纹，表面裂纹，角裂纹，埋藏裂纹等。线弹性裂纹扩展和断裂是由K的大小来确定，因此，在断裂力学中计算相关裂纹的应力强度因子至关重要。经典的Paris公式是由Paris经大量的疲劳试验总结出来的裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子K之间的关系。因此建立了经典的Paris公式，两边取对数可得到如下图1-3所示的曲线。图1-3da/dN与K的关系曲线Figure1-3.Relationcurvebetweenda/dNandK
【参考文献】：
期刊论文
[1]大壁厚Q420高强结构钢焊接裂纹失效分析[J]. 张明,崔勇,刘振伟,杨烽. 焊管. 2019(10)
[2]Q420R压力容器用钢板焊接工艺评定研究[J]. 姚小静,韩伟,杜洪阳. 焊接技术. 2019(08)
[3]罐车用Q420R钢焊接接头力学性能试验研究[J]. 徐琛,张计谋,刘立彪,程浩轩,谭小斌,何福晶. 金属材料与冶金工程. 2018(06)
[4]含表面裂纹焊接结构疲劳评定的质量等级方法[J]. 杨建国,郝建松,李曰兵,郑文健,高增梁,张鹏程. 机械工程学报. 2018(14)
[5]海底管道基于风险和可靠性理论的合于使用评价[J]. 陈秋华,崔矿庆,卢进,邵辉,晁阳. 油气田地面工程. 2018(02)
[6]汽车罐车罐内E类焊接接头检验的探讨[J]. 高万东. 化工机械. 2018(01)
[7]基于裂纹闭合效应的疲劳裂纹扩展特性研究[J]. 王爱君,栾春光. 煤矿机械. 2018(02)
[8]焊后热处理温度对Q420R性能与组织的影响[J]. 刘立彪,张计谋,谭小斌,龙渊,杨文志. 世界有色金属. 2017(23)
[9]焊接结构抗疲劳设计理论与方法[J]. 兆文忠,李向伟,董平沙. 焊接技术. 2017(08)
[10]镁合金焊接接头疲劳性能研究进展[J]. 邓海鹏,何柏林. 兵器材料科学与工程. 2016(04)
博士论文
[1]多轴载荷下含埋藏裂纹结构的断裂分析与结构完整性评定方法研究[D]. 吕原君.浙江工业大学 2018
[2]三维复合型脆性断裂行为的数值计算与实验研究[D]. 朱莉.哈尔滨工程大学 2012
[3]高速列车结构热点应力疲劳评定方法及应用研究[D]. 王斌杰.北京交通大学 2008
硕士论文
[1]在役含缺陷压力容器安全评估方法研究[D]. 杜圆.哈尔滨工程大学 2016
[2]高速列车车体铝合金横梁疲劳可靠性研究[D]. 邱凡.北京交通大学 2015
[3]热点应力法及其在起重机金属结构中的应用[D]. 陈飞宇.武汉科技大学 2012
[4]镁/铝合金焊接接头疲劳评定的热点应力法研究[D]. 李娟.太原理工大学 2011
[5]基于非线性应力峰值自平衡的焊接结构热点应力法[D]. 刘磊.大连理工大学 2010
[6]基于热点应力法的转向架关键部件疲劳寿命研究[D]. 王忠.西南交通大学 2006
[7]基于BS7910的X65钢焊接管线疲劳评定[D]. 刘洪伟.天津大学 2004
本文编号：3246706
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hxgylw/3246706.html
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