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.     

U形肋正交异性组合桥面板力学性能

为验证桥面板在局部车轮荷载作用下的受力特性及桥面板在桥梁第二体系中的受力性能,提出新型U形肋正交异性组合桥面板系统,并区分其与常规桥面板的受力性能.设计制作了3个不同桥面板试件,其中包括1个混凝土桥面板,1个正交异性钢桥面板,1个带U形肋正交异性组合桥面板.通过静力试验测试了不同桥面板在荷载作用下负弯矩区混凝土开裂情况、桥面板不同部位的结构应变和变形等.试验结果表明:U形肋正交异性组合桥面板在车轮荷载作用下其局部应力水平显著低于正交异性钢桥面板,具有较强的抗疲劳性能;U形肋正交异性组合板在桥梁第二体系的承载能力分别是混凝土桥面板和钢桥面板的1.37倍和0.93倍.     

大跨度钢箱梁斜拉桥钢–UHPC组合桥面加固效果评估

为评估钢-UHPC（超高性能混凝土,Ultra-High Performance Concrete）组合桥面对大跨度钢箱梁斜拉桥的加固效果,基于随机车流下应力监测数据,结合《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）对钢-UHPC组合桥面和ERE（冷拌环氧树脂,Epoxy bond chips layer+ Resin asphalt+ Epoxy bond chips layer）桥面的疲劳性能进行了对比评估。利用Miner线性累积损伤准则计算了两种桥面各疲劳易损细节的剩余疲劳寿命。建立有限元模型,对钢-UHPC组合桥面UHPC层的抗裂性能进行了验算;计算了两种桥面钢桥面板的最大挠度及沥青铺装层的最大拉应力。结果表明： ERE桥面面板-纵肋焊缝纵肋侧、横隔板弧形切口和纵肋对接焊缝处存在较大应力,剩余疲劳寿命分别为214、186、61年;ERE桥面纵肋对接焊缝处在桥梁设计基准期内有疲劳破坏的风险;经钢-UHPC组合桥面加固后,正交异性板各疲劳易损细节最大应力幅值均降低到常幅疲劳极限以下,剩余疲劳寿命增长为无穷大;钢-UHPC组合桥面UHPC层的最大拉应力为4.68MPa,抗裂性能满足规范设计要求;经钢-UHPC组合桥面加固后,正交异性桥面刚度提升效果明显;加固后,钢桥面板挠度降幅为34%,最大挠度为0.69mm;沥青铺装层最大拉应力降幅为59%,最大拉应力为0.42MPa。经钢-UHPC组合桥面加固后,正交异性钢桥面板各疲劳易损细节疲劳性能满足规范设计要求,桥面铺装层的抗裂性能也有所改善。     

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。     

顶板-纵肋焊接细节残余应力的松弛效应

为了准确把握钢桥面顶板-纵肋焊缝位置的真实拉、压状态和应力比对正交异性钢桥面板（OSD）疲劳寿命的影响,通过建立焊接残余应力与车载应力的耦合应力分析模型,构建焊接残余应力和车辆荷载耦合作用下的应力比、等效应力幅等疲劳参数计算方法,形成了焊接残余应力与车载应力的耦合应力精细化计算方法. 以江阴长江大桥为例,应用该方法,开展车辆荷载和残余应力场对疲劳损伤的定量分析. 案例分析表明,焊缝位置残余拉应力在叠加了以拉应力为主的循环车载应力后,纵、横向应力松弛大小均超过车载应力峰值,出现明显的应力松弛现象,而叠加以压应力为主的循环车载应力后,应力松弛效应不明显;与仅考虑车载应力作用下的焊缝位置应力状态相比,考虑焊接残余应力和车载应力耦合作用之后,压应力循环工况焊缝位置疲劳应力状态发生了本质变化,即由不需要进行疲劳验算的压应力状态变为拉应力状态;拉应力循环工况的疲劳状态虽未改变,但该状态下焊缝位置的疲劳寿命由无限变为有限.     

考虑焊接残余应力的钢桥面板U肋焊接处局部应力分析

为研究正交异性钢桥面板的顶板与U肋焊缝连接处残余应力及与外荷载组合作用下的局部受力特征,针对宽体钢箱梁工程实例,基于热弹塑性有限元法对该焊缝的施焊过程进行了数值模拟,分析了焊接过程中温度场和应力场的变化；以初应力的方法实现了焊接残余应力与外荷载作用的组合。研究结果表明：面板下缘垂直于焊缝方向的残余拉应力峰值接近材料的屈服强度,远离焊缝的区域应力急剧减小,焊趾处的横向残余应力要明显大于焊根处；由面板上缘至下缘,纵向残余应力由压应力变为拉应力,横向残余应力呈现出“拉应力-压应力-拉应力”的交替变化趋势；以初应力的方式考虑残余应力,稳定应力场的相对误差可控制在5.0%以内；自重与二期恒载对焊缝区局部应力场的分布特征和焊根及焊趾处的应力极值的影响不大(1.7%以内)；外荷载中考虑局部对称轮载作用且未考虑焊接残余应力在外荷载作用下的消散情况时,焊根及焊趾处垂直于焊缝的横向应力极大值最大分别可增大10.7%、17.6%；焊接残余应力及与外荷载组合作用下,焊趾及焊根位置处沿面板厚度应力的分布符合“直线+抛物线”的规律。     

Q550 GJ高强钢焊接H型截面残余应力试验研究

为了推动高强结构钢Q550GJ在我国钢结构工程中的应用,研究了Q550GJ高强钢焊接H型截面试件的残余应力分布规律.首先试验研究了Q550GJ钢材的力学性能,其屈服强度、抗拉强度和伸长率符合国家现行规范,屈强比小于0.85.然后设计和加工了7个Q550GJ高强结构钢焊接H型截面构件,采用分割法对其进行残余应力试验.研究了Q550GJ高强结构钢焊接H型截面构件的残余应力分布规律,分析了不同参数的影响.研究结果表明:翼缘中部和腹板两端近焊缝区域出现较大的残余拉应力,但没有达到钢材的屈服强度,且随着宽厚比的变化呈不规律变化;翼缘外伸部分中部和腹板中部都呈现基本恒定的残余压应力;残余压应力随着板件宽厚比的提高而相应减小;其余部位是从残余拉应力到残余压应力转变的过渡区域.     

正交异性钢桥面板模型的仿真分析

应用ANSYS有限元分析软件对V型闭口纵肋的正交异性钢桥面板进行了强度分析。得出了在最大载荷作用情况下的钢桥面板的应力云图。同时与之前进行的模型试验所测得的应力分布规律进行了关键部位的比较。系统地阐述了正交异性钢桥弹性阶段的应力特性，并对闭口纵肋的正交异性钢桥面板给出了总的评价．     

CFRP粘接加固正交异性钢桥面板界面破坏机理研究

对碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)粘接加固正交异性钢桥面板界面性能进行了研究。采用考虑损伤因子的疲劳内聚力模型建立CFRP粘接加固正交异性钢桥面板有限元模型,采用二次名义应力准则判断界面损伤起始位置,根据幂法准则判断界面损伤破坏。以安庆长江公路大桥正交异性钢桥面板为研究背景,通过有限元模拟研究CFRP粘接加固正交异性钢桥面板界面破坏情况和应力分布。结果表明：CFRP粘接加固正交异性钢桥面板在盖板-U肋焊缝处首先发生界面破坏,随着荷载循环次数的增大,胶层破坏逐渐向纵肋和桥面板两端延伸,且界面破坏经过弹性阶段、软化阶段和界面破坏阶段3个阶段。     

热焊工艺对2. 2 5 C r 1Mo钢应力腐蚀性能的影响

针对石化设备常用材料2. 2 5 C r 1Mo钢, 分别在7 5 0℃和8 5 0℃的工艺温度下利用热焊工艺方法对其 进行焊接, 采用盲孔法测定了各焊接试件的焊接残余应力, 利用电化学工作站分别测量了焊接试板在碱性、 酸性和 中性腐蚀介质中的腐蚀速率, 通过金相分析了焊缝区显微组织变化。结果表明, 热焊工艺降低了2. 2 5 C r 1Mo钢焊件 的焊接残余应力, 提高了其在各种介质中的抗应力腐蚀性能; 随着工艺温度的升高, 焊接残余应力下降幅度增大, 抗 应力腐蚀性能提升显著; 在8 5 0℃的工艺温度下, 焊接残余拉应力降低6 0%以上, 抗应力腐蚀性能提升3 0%以上。 同时, 焊接后焊缝区显微组织得到改善, 力学性能得到保证。     

大跨度桥梁钢桥面板跨尺度疲劳损伤评估方法

大跨度斜拉桥正交异性钢桥面板的顶板与纵肋焊接构造细节在车辆荷载作用下易产生疲劳损伤进而导致服役性能降低、影响行车安全。为评估大跨度桥梁钢桥面板的疲劳性能,提出基于细观损伤力学的大跨度钢桥疲劳损伤跨尺度评估方法;推导了基于细观损伤力学的钢桥面板疲劳损伤演化模型,在此基础上,结合实测交通数据,实现了基于Monte-Carlo法的随机车流模拟;最后,将提出的方法应用于一座大跨度三塔斜拉桥。研究结果表明,大跨度斜拉桥钢桥面板体系焊缝周围区域的累积疲劳损伤程度明显高于桥面板体系的其他部位;顶板与纵肋焊接构造细节的疲劳损伤累积呈现明显的非线性,预测的疲劳寿命远小于Miner线性疲劳损伤累积准则的结果。     

钢箱梁悬索桥大节段正交异性钢桥面板疲劳性能试验

针对正交异性钢桥面板的焊接细节在反复荷载作用下易疲劳开裂的问题,以三峡库区某大跨悬索桥的钢箱梁正交异性钢桥面板为工程背景,进行1∶2缩尺的钢桥面板疲劳性能试验研究,进行设计寿命期内的疲劳试验和极限寿命期内的疲劳试验.疲劳试验结果表明:200万次的循环加载后,模型上各测点的应力值波动很小,在加/卸载过程中位移具有良好的对称性、可恢复性与重复性,说明模型的应力状态稳定,没有出现因局部开裂、损伤而导致模型应力显著变化的现象,说明该桥的正交异性钢桥面板的构造满足设计要求,且有一定的安全储备.     

机械振动焊接对残余应力的影响及机理分析

机械振动焊接是在振动调整残余应力技术基础上发展起来的一项焊接新技术。这种焊接新技术 ,不仅能提高焊接质量 ,改善焊接接头金相组织 ,提高接头金属的力学性能 ,而且能省去焊后调整残余应力的工序 ,从而缩短生产周期 ,降低生产成本 ,并将给焊接生产领域带来巨大的经济效益。试验选用压力容器常用钢 1 6MnR作为试验材料 ,采用机械振动焊接钢板与常规埋弧自动焊接钢板对比实验方法 ,通过残余应力测试和测试结果分析研究了机械振动焊接对残余应力的影响。结果表明 ,机械振动焊接可降低焊接残余应力 ;当频率、振幅 (激振力 )选取合适时 ,其降低效果更显著。而机械振动焊接降低残余应力的机理主要是由于机械振动使焊缝及周围的温度梯度减小和振动使晶粒细化、组织分布均匀所致     

机械振动焊接对残余应力的影响及机理分析

机械振动焊接是在振动调整残余应力技术基础上发展起来的一项焊接新技术。这种焊接新技术,不仅能提高焊接质量,改善焊接接头金相组织,提高接头金属的力学性能,而且能省去焊后调整残余应力的工序,从而缩短生产周期,降低生产成本,并将给焊接生产领域带来巨大的经济效益。试验选用压力容器常用钢16MnR作为试验材料,采用机械振动焊接钢板与常规埋弧自动焊接钢板对比实验方法,通过残余应力测试和测试结果分析研究了机械振动焊接对残余应力的影响。结果表明,机械振动焊接可降低焊接残余应力;当频率、振幅（激振力）选取合适时,其降低效果更显著。而机械振动焊接降低残余应力的机理主要是由于机械振动使焊缝及周围的温度梯度减小和振动使晶粒细化、组织分布均匀所致。     

钢桥面板—纵肋双面焊缝疲劳裂纹应力强度因子

双面焊有望改善顶板—纵肋焊接构造细节的疲劳抗力,而初始焊接缺陷是影响该类构造细节疲劳性能的关键因素。基于断裂力学理论,采用FRANC3D-ABAQUS交互技术建立了含初始裂纹的钢桥面板多尺度有限元模型,研究顶板—纵肋连接焊缝疲劳裂纹应力强度因子。分析了焊缝熔透率、顶板厚度、初始裂纹形状比等对双面焊缝疲劳裂纹应力强度因子的影响规律。结果表明：钢桥面板—纵肋连接焊缝细节处疲劳裂纹为Ⅰ型主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型疲劳裂纹;双面焊缝顶板焊根处疲劳裂纹应力强度因子最大值比单面焊缝小64.3%,改善了顶板—纵肋焊缝的疲劳性能;焊缝熔透率对顶板—纵肋双面焊接细节疲劳裂纹应力强度因子影响较小;加厚顶板显著降低了顶板—纵肋双面焊接细节疲劳裂纹应力强度因子;随着初始裂纹形状比增大,裂纹应力强度因子减小。     

高温超导电机磁体支撑结构焊接残余应力分析及影响研究!

焊接残余应力不仅可能使高温超导电机磁体支撑结构产生裂纹,还可能与外加载荷叠加后改变磁体支撑结构的承载能力。应用轴对称模型及单元生死技术,对高温超导电机磁体支撑结构进行了焊接数值模拟,得到了焊缝残余应力的分布规律,同时在结构强度分析中考虑了焊接残余应力的影响。数值模拟结果表明:最大残余Mises应力出现在焊缝区域,远离焊缝区的应力几乎为零;整体退火对焊接残余Mises应力的降低非常有效;焊接残余应力和外载荷作用下的Mises应力进行了叠加,导致磁体支撑结构的强度明显下降。研究结果为磁体支撑结构的设计、生产工艺的优化及降低焊接残余应力提供了理论依据。     

振动时效的效果及机理综述

振动时效是继热时效而后发展起来的一种新的时效方法,它是在周期性外力作用下促使工件振动,达到调整、均化残余应力、稳定构件加工尺寸和精度等目的的一种工艺。振动时效由于具有设备简单、处理时间短、节省能源、稳定工件尺寸和消除残余应力作用显著等特点,近年来了得到了较普遍的应用。目前振动时效在国内应用已有20余年,但其应用主要在降低高残余应力,调整、均化残余应力,稳定构件加工尺寸等方面。根据近期研究,发现振动时效对提高焊件疲劳寿命、抗应力腐蚀性能以及金属材料的冲击功也有明显效果。全面综述了振动时效的效果,并对其机理进行了研究。振动时效的过程,实质上是金属材料内部晶体位错运行、增殖、塞积和缠结的过程     

新型正交异性钢-混组合桥面板足尺模型疲劳试验

为改善新型正交异性钢混组合钢桥面疲劳性能,采用理论推导、有限元模拟和足尺模型疲劳试验对其纵肋腹板与横隔板焊接细节进行研究.首先将由大尺寸纵肋组成的正交异性组合桥面系简化成铰接的双纵肋计算模型,然后进行足尺模型疲劳试验,分析混凝土层和钢桥面构造受力及开裂情况.结果表明:理论模型能较好反映纵肋实际力学行为;铺设混凝土层后,桥面板焊接构造细节疲劳应力得到很大改善.所提出的新型正交异性钢混组合钢桥面可作为解决正交异性钢桥面疲劳开裂问题的一种新思路.     

钢结构焊接残余应力及焊接变形控制技术

为了探究控制钢结构焊接过程变形策略,通过钢板对接方法研究了焊接残余应力及焊接变形.以两块同料、同尺寸钢板对接解析焊接工艺过程,设定常态焊接工艺参数,在焊接钢板上进行焊接横向及纵向残余应力计算,并在焊接过程构建温度场,建立有限元模型,绘制其温度曲线图,探究残余应力变化趋势及分布情况.结果表明,对接焊接钢结构焊缝附近部分残余应力较大,结构残余应力在初始加热时期会呈现较快下降趋势,后逐渐趋于平缓,钢板对接焊接变形主要原因是纵向残余应力过大,可通过平行加热处理降低纵向残余应力的影响.     

正交异性钢桥面板U肋与桥面板焊缝连接处疲劳试验研究

以九江长江公路大桥主跨钢箱梁结构为研究对象,通过对实桥结构的有限元分析,确定了能够反映正交异性钢桥面板U肋与桥面板焊缝连接处受力状态的疲劳试样;依据理论分析和静载试验,获得了加载载荷与研究部位应力的对应关系;通过疲劳试验得到了该结构细节的疲劳破坏形式、应力-寿命曲线及容许应力幅值,为大桥的疲劳寿命评估、健康检测及养护维修提供依据,也为其它桥梁设计提供参考.