基于斷裂參量K因子的焊接接頭等承載設計.pdf

1、為減輕結構重量并保證結構的承載能力,高強鋼以其高的強度和良好的塑韌性廣泛應用于橋梁、建筑、航空航天等領域。焊接作為一種高效的連接方法,廣泛應用于工程結構領域。由于焊接過程的特殊性,使得焊接缺陷不可避免,導致焊接接頭容易產生低應力脆斷破壞,顯著降低了接頭的承載能力,給焊接接頭設計帶來一定的局限性。為提高易產生缺陷的焊接接頭的承載能力,本文從斷裂力學角度出發(fā),提出了基于應力強度因子(K因子)的焊接接頭等承載設計思想,并給出了接頭含不同缺陷時

2、的等承載設計準則,使用該準則可以設計出承載能力與母材相當的焊接接頭。
　　對于焊縫和母材區(qū)都含缺陷的接頭而言,提出了焊縫和母材區(qū)的K因子比值與焊縫金屬和母材金屬的斷裂韌度比值相等時即可滿足等承載要求的設計思想;對于焊縫區(qū)存在缺陷而母材區(qū)無缺陷的接頭而言,提出了焊縫區(qū)裂紋失穩(wěn)擴展的臨界應力與母材的抗拉強度相等時即可滿足等承載要求的設計思想;對于焊縫區(qū)無缺陷而母材區(qū)存在缺陷的接頭而言,提出了母材區(qū)裂紋失穩(wěn)擴展的臨界應力與焊縫區(qū)峰值應力

3、相等且不高于焊縫金屬的抗拉強度時即可滿足等承載要求的設計思想;本文主要針對前兩種接頭的等承載設計進行討論和研究。
　　本文研究了接頭形狀參數對含中心裂紋和單邊裂紋對接接頭形狀因子的影響規(guī)律,研究表明,使用不考慮余高影響的傳統的形狀因子表達式計算含缺陷接頭的形狀因子是不合理的。提出了一種獲得含裂紋復雜結構形狀因子表達式的新方法,即首先采用有限元法研究結構各形狀參數對其形狀因子的影響規(guī)律,再引入一個能夠統一各形狀參數對形狀因子影響規(guī)律

4、的幾何不連續(xù)形狀協調參數,最后對具有不同形狀參數結構的有限元結果以形狀協調參數為自變量進行擬合,獲得在傳統形狀因子表達式基礎上的修正系數方程,進而獲得較傳統表達式更準確的形狀因子表達式。本文利用該方法獲得了考慮余高形狀影響時的含中心裂紋和單邊裂紋對接接頭受單向拉伸載荷作用時的形狀因子表達式。本文給出表達式能夠更有效的指導含中心裂紋和單邊裂紋對接接頭的形狀設計,并可獲得相應的應力強度因子、臨界應力、臨界裂紋尺寸以及剩余壽命,以便對其進行安

5、全性評估。
　　運用有限元法獲得含缺陷復雜結構形狀因子和K因子,需進行有限元建模、邊界條件和材料屬性的定義、加載計算以及數據處理等一系列步驟,過程繁瑣。為提高含缺陷復雜形狀接頭K因子的計算效率和準確度,本文開發(fā)了含缺陷焊接接頭K因子計算系統,對數據進行回歸分析,可獲得具有一定接頭形狀的含缺陷接頭的形狀因子和K因子表達式。本文開發(fā)了基于斷裂參量K因子的焊接接頭等承載設計系統,可確定等承載接頭的形狀參數,并能計算服役的含缺陷等承載接頭

6、的K因子、裂紋尖端張開位移、J積分以及接頭剩余壽命,有利于對服役的等承載接頭進行安全評估,進一步推廣了等承載設計思想及應用。
　　對焊縫和母材都含缺陷等承載接頭進行了實驗研究,拉伸和疲勞試驗結果表明,對于按照等承載接頭形狀參數設計的焊縫和母材都含中心裂紋或者單邊裂紋的對接接頭而言,即使焊縫區(qū)裂紋尺寸大于母材區(qū)裂紋尺寸,所有試件均斷于含裂紋母材處,滿足焊縫不先于母材破壞的等承載要求;對焊縫含缺陷母材無缺陷等承載接頭進行了實驗研究,對

7、于按照等承載接頭形狀參數設計的焊縫含中心裂紋或者單邊裂紋母材無缺陷的對接接頭而言,所有拉伸試件均斷于焊趾附近的母材處,且抗斷應力達到母材的抗拉強度,滿足等承載要求。所有疲勞試件均斷于含裂紋焊縫處,其疲勞壽命遠高于含相同缺陷承受相同疲勞載荷的普通接頭的疲勞壽命。
　　基于斷裂參量K因子的含缺陷等承載接頭的危險截面從焊縫區(qū)域向母材區(qū)域轉移,保證焊縫區(qū)不先于母材區(qū)破壞,接頭承載能力能夠達到母材的承載能力。焊接接頭K因子計算系統能夠計算含