对接焊缝残余应力对疲劳裂纹扩展的影响

研究了平板对接焊缝的疲劳裂纹扩展问题,提出了一种考虑残余应力场重分布的裂纹扩展寿命计算方法.基于Terada提出的焊接残余应力场随裂纹扩展重分布的模型,在裂纹扩展过程中不断更新残余应力引起的应力强度因子和应力比并在此基础上计算构件裂纹扩展寿命.采用该方法分析了某焊接钢板的裂纹扩展寿命,并和不考虑残余应力场重分布的叠加法进行了对比.研究表明,提出的基于焊接残余应力场的疲劳裂纹扩展分析方法更加符合实际情况,可以预测出相对准确的裂纹扩展寿命.     

残余应力场中疲劳裂纹闭合的数值分析

本章基于塑性诱导裂纹闭合原理,通过弹塑性有限元方法对残余应力场中疲劳裂纹扩展过程进行模拟,阐释残余应力场中的裂纹扩展行为。论文阐述了模拟疲劳裂纹扩展的方法、残余应力生成方法和残余应力场中裂纹张开、闭合应力的计算方法。模拟了焊接产生的拉伸控制残余应力场和冷胀孔产生的压缩控制残余应力场中的疲劳裂纹扩展,分析了残余应力对裂纹闭合效应的影响。分析结果表明,与不含残余应力场的情况相比,拉伸残余应力具有抵消裂纹闭合效应、促进裂纹扩展的作用,并得出权函数法不适用于这种条件下的疲劳裂纹扩展分析的结论;而压缩残余应力具有增强裂纹闭合效应、抑制裂纹扩展的作用。通过数值分析研究残余应力场中的疲劳裂纹闭合效应,能够考虑裂纹扩展中外载与残余应力相互作用引起的残余应力变化,有助于理解残余应力对裂纹扩展的作用机理和进行裂纹扩展预测。     

基于喷丸残余应力场的疲劳裂纹扩展数值模拟

运用有限元软件ABAQUS建立喷丸强化有限元模型,研究冲击速度、弹丸半径、弹丸材料、覆盖率对残余应力场的影响.运用疲劳分析软件Msc.Fatigue建立了疲劳裂纹扩展分析模型,将非喷丸模型和喷丸模型的应力场导入Msc.Fatigue进行疲劳裂纹的扩展分析,比较研究残余应力场对疲劳裂纹扩展的影响.喷丸强化有限元模型的模拟结果表明,适当地增加冲击速度、弹丸半径、覆盖率等喷丸参数可以明显改善残余应力场的作用效果,钢丸喷丸产生的最大残余压应力值比玻璃丸喷丸产生的大.疲劳裂纹扩展分析模型的模拟结果表明,由于喷丸残余压应力场的作用,有效地改善了材料的疲劳性能,构件的疲劳裂纹扩展寿命提高了1.3倍.     

基于喷丸残余应力场的疲劳裂纹扩展数值模拟

运用有限元软件ABAQUS建立喷丸强化有限元模型,研究冲击速度、弹丸半径、弹丸材料、覆盖率对残余应力场的影响。运用疲劳分析软件Msc.Fatigue建立了疲劳裂纹扩展分析模型,将非喷丸模型和喷丸模型的应力场导入Msc.Fatigue进行疲劳裂纹的扩展分析,比较研究残余应力场对疲劳裂纹扩展的影响。喷丸强化有限元模型的模拟结果表明,适当地增加冲击速度、弹丸半径、覆盖率等喷丸参数可以明显改善残余应力场的作用效果,钢丸喷丸产生的最大残余压应力值比玻璃丸喷丸产生的大。疲劳裂纹扩展分析模型的模拟结果表明,由于喷丸残余压应力场的作用,有效地改善了材料的疲劳性能,构件的疲劳裂纹扩展寿命提高了1.3倍。     

喷丸残余应力对裂纹扩展疲劳寿命的影响

为了研究喷丸表面处理对试样疲劳寿命的影响,基于ABAQUS软件建立含喷丸残余应力场的四点弯曲试样有限元模型和考虑裂纹闭合效应的裂纹扩展疲劳寿命预测模型。基于该模型研究了不同应力比及不同喷丸工艺条件下的受喷与未喷试样的裂纹扩展疲劳寿命。结果表明,正应力比越大越不容易产生裂纹闭合从而寿命越短,不同应力比条件下喷丸试样的疲劳寿命均约为相同条件下未喷丸试样的2.5倍;单独喷丸强化对裂纹扩展疲劳寿命的提高作用高于喷丸成形与强化的联合作用。主要是由于喷丸强化产生的残余压应力在距离表层较近的范围大于成形与强化联合作用所产生的残余压应力,且该残余压应力对裂纹扩展疲劳寿命的提高起主导作用。通过预测结果与文献实验结果的对比,验证了本文所建模型的正确性及有效性。     

焊接残余应力对压力容器疲劳裂纹扩展的影响

给出了焊接残余应力对压力容器疲劳裂纹扩展的影响,采用断裂力学理论分析疲劳行为,引用了裂纹张开率U和有效应力强度因子幅值△Keff的概念.     

焊接残余应力场中裂纹闭合模型

潜艇结构内广泛存在复杂分布的焊接残余应力,对焊接结构表面裂纹的扩展有很大的影响.利用权函数方法,结合Newman-Raju提出的表面裂纹在压弯组合应力下的经验公式,计算表面裂纹焊接残余应力的应力强度因子;并利用K相似原理,把表面裂纹问题转换为中心贯穿裂纹问题;利用Newman裂纹闭合模型模拟裂纹扩展,研究残余应力场内的裂纹闭合现象,并实现残余应力场内的裂纹扩展研究.该方法也可以用于随机载荷下残余应力场内裂纹扩展研究.     

塔机起重臂钢结构疲劳裂纹扩展的数值分析

塔式起重机起重臂的断裂主要由疲劳破坏即疲劳裂纹扩展引起,针对其焊接结构中不可避免地出现裂纹的现象,利用ABAQUS建立塔式起重机起重臂有限元模型并求解,计算变幅小车满载和空载状态下塔机起重臂下弦杆与水平腹杆焊接处不同裂纹长度对应的应力强度因子,通过建立裂纹应力强度因子幅与裂纹长度的函数关系估算塔机起重臂的疲劳寿命.结果表明:塔机起重臂下弦杆与水平腹杆焊接处裂纹的应力强度因子幅随裂纹长度的增加而增大,当裂纹长度达到一定值后,应力强度因子幅呈指数型增大,结构的疲劳寿命急剧下降.故焊接结构在制造、使用等环节应采取有效措施减少焊接缺陷、防止裂纹扩展,从而提高其使用寿命.     

页岩Ⅰ型裂纹遇层理起裂扩展准则研究

为研究层理面对页岩Ⅰ型裂纹扩展的影响,利用裂纹尖端应力场Williams解,推导了页岩Ⅰ型裂纹沿层理方向的新分叉裂纹尖端应力场.基于最大周向应力判据,建立了考虑T应力的Ⅰ型裂纹沿层理起裂扩展准则,探讨了不同层理角度下裂纹沿层理面起裂与扩展规律.研究结果表明:T应力对含层理页岩裂纹扩展角,以及反映裂纹转向层理扩展难易程度指标起裂临界强度比S■和扩展临界强度比S■都具有影响。解析得到反映T应力大小的无量纲参数Bα=0.375是层理倾角β=0时Ⅰ型裂纹发生转向的一个分界点.β0时,Bα=±0.375是Ⅰ-Ⅱ复合型分叉裂纹S■和S■发生变化的分界点:当Bα-0.375时,S■和S■随着层理角度的增加先减小后增加,当Bα0.375时,S■和S■随着层理角度的增加先增加后减小,而当-0.375≤Bα≤0.375时,S■和S■随着层理角度的增加而减小.基于此建立了综合反映T应力和层理角度对临界强度比影响的临界面.将理论预测裂纹沿层理面扩展结果与试验及数值模拟结果进行比较,吻合较好.     

疲劳裂纹的跨尺度分析

为了准确模拟正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展行为,提出基于约束应力区的三维表面半椭圆跨尺度裂纹模型.采用有限元法求解应力强度因子,将跨尺度应力强度因子作为疲劳裂纹从微观到宏观扩展的控制参量,使用统一模型描述正交异性钢桥面板疲劳破坏全过程.对正交异性钢桥面板的疲劳失效行为进行数值模拟,并与试验应力-寿命曲线进行对比分析.结果表明:疲劳裂纹扩展跨尺度模型能正确反映正交异性钢桥面板纵肋与桥面板焊接部位的疲劳破坏过程,并可模拟疲劳裂纹扩展从微观到宏观的跨尺度行为.由于微观效应对疲劳寿命有显著影响,当考虑到材料的微观效应时,该模型可解释疲劳寿命试验数据的离散现象.     

GH80A镍合金电子束焊接接头旋转弯曲高周疲劳行为研究

随着镍合金电子束焊接在工业中的大量应用,尤其是在航空发动机和燃气轮机等关键长寿命服役设备中的使用,有必要对镍合金电子束焊接接头的高周疲劳属性和断裂机理进行系统的分析研究。本文利用旋转弯曲高周疲劳试验机进行疲劳试验,获得了母材和焊接接头的应力-寿命(S-N)曲线和疲劳断口,同时利用扫描电镜（Scanning Electron Microscope,SEM）对疲劳断口进行了微观特征分析,确定了母材和焊接接头在不同应力幅下的疲劳裂纹萌生区和扩展区,分析了裂纹萌生区位置与应力幅的相互关系。最后,利用有限元分析了焊接接头热影响区微裂纹位置与大小对材料疲劳性能的影响。从现有的试验和模拟结果可以得到：1)母材和电子束焊接接头应力-寿命(S-N)曲线分布趋势一致,但焊接接头疲劳强度要低于母材,在靠近107周次时,两者疲劳强度差距最小;2)在高应力幅（低周疲劳寿命阶段）母材和焊接接头的疲劳裂纹均起源于试件表面并且都是多点萌生断裂,焊接接头疲劳断口位置位于焊接熔合区或热影响区;3)在低应力幅（高周疲劳寿命阶段）疲劳裂纹在试件次表面萌生,焊接接头疲劳断口位于热影响区或焊接母材靠近热影响区处;4) 通过有限元模拟发现微裂纹的存在有利于裂纹的扩展。在拉应力作用下,横向微裂纹更优于纵向裂纹沿着应力方向进行裂纹扩展;随着微裂纹尺寸增大,微裂纹间更易于相互贯通,形成更长的裂纹,从而降低了材料的疲劳性能。综上可知,电子束焊接仅仅影响材料的疲劳强度。疲劳断裂机理和母材一致都为穿晶解理断裂,疲劳裂纹萌生区域位置也和母材一样都受应力幅的直接影响。     

焊接残余应力对钢桥面疲劳性能的影响与处理措施

为改善正交异性钢桥面的抗疲劳性能,对钢桥面进行退火处理以降低关键焊缝的焊接残余应力。首先系统性地回顾和探讨钢桥面焊接残余应力分布模式,同时就残余应力对疲劳裂纹发展的影响进行了文献分析。随后,归纳和总结了国内外主流焊接残余应力消除方法,并开展对比分析。借鉴压力容器制造方法,建议在正交异性钢桥面制造中引入退火处理工艺以降低焊接残余应力。研究聚焦钢桥面中疲劳问题较突出的顶板与U肋连接焊缝,设计了16个(其中9个退火处理,7未作处理)局部足尺单U肋试件进行残余应力测试与疲劳试验。试验结果表明,退火处理后焊缝残余应力实测值降低约80%,疲劳强度提高约23%。可以看出,退火处理可以大幅降低焊接残余应力,从而有效提升钢桥面抗疲劳性能。     

疲劳裂纹在焊接接头中的扩展及裂纹闭合的研究

焊接接头疲劳裂纹的扩展过程中存在着闭合现象．本文提出了考虑到宏观力学不均匀性时焊接接头的实验及数值分析模型,通过实验及弹塑性有限元法研究了焊接接头疲劳裂纹扩展及闭合现象,分析了裂纹尖端应力分布的变化．结果表明,焊接接头疲劳裂纹的扩展受裂纹闭合的影响,加载过程中裂纹尖端应力过零时对应的外载可作为裂纹张开载荷Pop．同时讨论了力学不均匀性影响疲劳裂纹扩展的本质．     

焊接结构疲劳破坏的若干问题

首先阐述了备受关注的钢结构疲劳破坏的危害性,从冶炼过程以及微观角度阐述钢材中疲劳裂纹的产生机理和分布的复杂性,并针对土木工程钢结构的焊接加热过程对材料的影响进行分析,阐述了焊接裂缝成为先天的"疲劳裂纹",从而加快焊接结构的疲劳破坏进程;总结前人研究得出的焊接残余应力的存在对焊接结构的疲劳强度的影响;最后提出了一些抗疲劳措施.     

高温焊接对16MnR钢疲劳寿命的影响

对高温焊接16MnR钢试件做了焊接残余应力测试和疲劳寿命试验。结果表明,高温焊接可显著降 低焊接残余应力和提高疲劳寿命。750 ℃和850 ℃高温焊接比常温焊接的纵向残余应力最大值分别降低55%和 68%,750℃和850℃高温焊接比常温焊接试件的疲劳寿命分别提高50%和98%。对高温焊接的这些特点的原因 做了分析,认为该方法是比较可行的。     

6005铝合金搭接接头组织及疲劳性能研究

采用熔化极惰性气体保护（MIG）焊对6005铝合金进行搭接焊接试验. 对焊接接头进行微观组织观察和显微硬度测试,结果显示,熔合区出现联生结晶特点,焊缝中心以等轴晶为主,热影响区（HAZ）晶粒发生严重粗化,焊缝区的维氏硬度（HV）为64.5,母材区为89.6,接头出现明显软化区. 在疲劳性能测试中焊接接头疲劳强度只有母材的21.41%,焊接接头疲劳断口呈韧性断裂和解理断裂的混合性断裂. 分析疲劳裂纹扩展机理得出,在裂纹尖端钝化和加载应力循环下,裂纹沿45°方向呈“Z”字型扩展.     

陶瓷衬垫单面焊接接头的韧性断裂行为研究

采用拉伸试验和电子显微技术研究了CO2 气体保护陶质衬垫单面焊接接头在不同三轴应力作用下裂纹起始、扩展特性 .测定了接头各区的临界空穴扩张比 (Rc/R0 ) ,讨论了 (Rc/R0 )的统计本质及接头各区的宏观断裂韧性参数VGC,并与双面焊接接头进行了比较 .研究结果指出 ,不同应力状态下 ,单面焊接接头焊缝中空穴主要在邻近衬垫成形面一侧形核、扩展 ,接头各部位的临界空穴扩张比服从正态分布 .双面焊接接头中焊缝、熔合区的VGC 值较高 ,而单面焊接接头中 ,热影响区的VGC 值较高     

焊接结构低周疲劳损伤分形演变模型

用宏观与微观相结合的方法研究焊接接头疲劳损伤演变规律。认为焊接接头中疲劳裂纹扩展路径在一定尺度范围内具有分形特征，用分形几何学方法建立裂纹扩展模型，将断裂力学的概念运用到损伤力学演化规律研究中，给出分形有效应力强度的表达式以及损伤演化率方程，推导出损伤演变方程，为从微观层次定量描述焊接结构疲劳断口特征及宏观疲劳断裂特性提供了一种新的有效方法。