结合S-N曲线和断裂力学的焊接结构疲劳寿命分析

针对焊接结构的疲劳裂纹演化过程,将焊接结构的疲劳寿命定义为裂纹萌生寿命N_i和裂纹扩展寿命N_p之和,提出一种结合S-N曲线和断裂力学理论的疲劳寿命分析方法.采用等效结构应力法和99%下限主S-N曲线计算焊接结构的裂纹萌生寿命,并将这一阶段结束时的裂纹看作为半椭圆表面裂纹.采用Paris裂纹扩展模型和半椭圆表面裂纹应力强度因子ΔK计算裂纹扩展寿命N_p.参照某起重机走行梁的疲劳试验结果进行对比和验证研究.结果表明,等效结构应力可以较好地表征复杂焊接结构的裂纹萌生特性,结合S-N曲线和断裂力学的疲劳寿命计算结果与试验结果具有较好的一致性.     

T型焊接接头弯曲疲劳寿命预测方法

采用数值模拟方法对弯曲载荷下T型焊接接头疲劳裂纹由萌生至断裂过程进行研究,将焊接构件疲劳总寿命分为裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命,提出一种基于缺口效应和断裂力学的疲劳寿命预测方法。首先针对T型接头进行有限元建模,基于应变-寿命曲线与Neuber公式计算T型接头局部应变集中区域的裂纹萌生寿命,并将这一阶段结束时的初始裂纹设为半椭圆形表面裂纹;然后在T型接头中创建与实际裂纹相符的半椭圆形状裂纹,结合Dugdale模型和Westergaard应力函数,根据有限元分析结果迭代计算半椭圆裂纹尖端的真实应力强度因子,建立裂纹尖端应力强度因子随裂纹深度及附加应力变化的拟合公式;最后结合Pairs理论计算焊接构件裂纹扩展寿命,并与T型接头弯曲试验结果进行对比验证。结果表明:基于缺口效应和断裂力学的疲劳寿命预测值在试验结果的两倍误差带内,与试验结果具有较好的一致性;相同条件下,T型接头焊趾应力强度因子相比平面应变状态增加了25%; T型接头弯曲疲劳强度比拉伸疲劳强度高12%。     

基于Tanaka-Mura位错模型的疲劳裂纹萌生寿命预测

为了准确预测材料的疲劳寿命,提高结构疲劳寿命预测精度,对ABAQUS有限元数值模拟预测试样疲劳寿命的方法进行了研究. 基于Tanaka-Mura位错理论,利用python语言对ABAQUS进行二次开发,模拟预测了S960QL马氏体钢和Ti₂AlNb钛合金接头各区域疲劳裂纹萌生寿命. 利用泰森多边形法生成了晶体特征单元建立了微观子模型,考虑了体心立方结构相互垂直的两条滑移带作为潜在的裂纹萌生位置,并对具有相同取向的多条平行滑移带都进行了模拟计算. 通过计算得到的裂纹扩展速率变化,给出了裂纹萌生阶段过渡到裂纹扩展阶段的临界点处的裂纹萌生寿命. 模拟结果表明,除焊缝柱状晶组织外裂纹萌生寿命与试验数据吻合良好.     

焊接接头等承载设计

对焊接结构设计文献与相关标准进行了综述。分析发现,焊接结构的疲劳性能与母材的自身强度没有直接联系;原始焊接接头的裂纹萌生寿命较短,接头疲劳寿命主要是考虑裂纹扩展寿命;焊接残余应力对焊接结构疲劳性能的影响体现在S-N曲线中,无需特殊考虑;焊接接头疲劳性能的优化需从降低焊趾应力集中和提高接头疲劳抗力入手,避免裂纹穿透焊喉失效。在此基础上,提出焊接接头等承载设计理念,等承载即实现焊接接头与母材具有相同的承受静载、动载等外载荷的能力,此设计理念将焊接接头的非均质性与几何形状参数进行了综合考虑,通过对焊接接头的力学性能进行分析,给出焊接接头等承载设计方法与设计准则。等承载设计理念可摆脱具体的产品结构,实现量化设计,并有望发展成为标准化设计环节。     

含焊接缺陷的30CrMnSiNi2A钢焊接件的疲劳寿命估算

本文分析了焊接缺陷对超高强度钢３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ焊接件疲劳寿命的影响，给出了定理评估含焊接缺陷的焊接件疲劳性能的方法，焊接缺陷可分成类裂纹型和非裂纹型两类，前者的作用与裂纹相当，含这类缺陷的焊接件寿命近似等于裂纹扩展寿命；后者的作用则类似缺口，含这类缺陷的焊接件寿命为裂纹起始与扩展寿命之和，裂纹扩展寿命可用断裂力学的方法计算，始裂寿命则可用材料的始裂寿命公式计算，但在计算中要考虑表面状态修正     

内燃机车主发电机机座疲劳寿命预测

以铁路车辆使用的某型号主发电机机座为研究对象,利用ABAQUS对发电机机座进行有限元仿真分析。根据实际工况和设计要求,对机座进行静强度评估;参照国际焊接学会焊接疲劳评估标准及EN15085欧洲铁路标准,分别利用热点应力法和等效结构应力法计算发电机机座危险焊缝的疲劳强度与应力因数,并将结果进行对比。结果表明:在极限工况下,机座内最大Mises应力小于机座材料的屈服强度,机座满足静强度要求;在冲击和停机两种工况下,机座危险焊缝的热点应力最大应力变化范围小于该形式接头对应S-N曲线的截止疲劳极限,机座的疲劳强度满足设计要求;利用FE-SAFE提取机座危险焊趾处的结构应力,通过等效结构应力法计算得出的危险焊缝疲劳寿命满足设计要求;对比两种方法得出的应力因数,在焊接结构较为复杂时,等效结构应力法可以更高效和准确地预测焊接结构的疲劳寿命。     

TC4-DT钛合金电子束焊接接头疲劳断裂过程的原位观测

通过对TC4-DT钛合金焊接接头显微组织的观察和疲劳断裂过程的原位观测,分析了焊接接头的显微组织特征,研究了焊接接头的疲劳裂纹萌生与扩展行为.结果表明:TC4-DT焊接接头疲劳断裂于母材区,疲劳裂纹萌生于试样的边缘,裂纹既可以沿着初生α相扩展又能直接切过初生α相扩展,裂纹的萌生寿命占整个疲劳寿命的比例较大,裂纹的扩展寿命很短.     

基于微观建模法的焊接接头低周疲劳寿命预测研究

提出一种微观尺度的有限元模型,模拟了焊接接头的变形和短裂纹的萌生寿命。该模型考虑了焊接接头晶粒取向的不同和焊缝不同区域力学性能的差异。塑性应变能被作为疲劳损伤参量,结合疲劳寿命的能量准则来预测疲劳裂纹的萌生寿命。通过分析钛合金电子束焊的实验数据对该模型进行了验证。结果表明,在恒幅载荷作用下,焊接接头裂纹萌生于焊缝区多个晶界交汇或者较大且轮廓有畸变的晶粒内;微裂纹主要以Ⅰ型裂纹扩展;该微观有限元模型结合疲劳寿命预测的能量法在微观尺度上能够较好地完成焊缝疲劳性能的表征和疲劳寿命的估算。     

基于等效裂纹初始尺寸的断裂力学疲劳评定

先采用裂纹模拟法对Al6082-T6铝管搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳强度进行评定,通过将接头模拟成带标准裂纹的构件来计算焊接接头等效应力强度因子范围,并与接头裂纹扩展门槛值比较来判断焊接件是否发生疲劳失效,结果表明,裂纹模拟法能够对Al6082-T6搅拌摩擦焊接头做出合理的疲劳评定。将裂纹模拟法中模拟的裂纹尺寸作为断裂力学中的裂纹初始尺寸用于预测Al6082-T6铝管接头的疲劳寿命,预测结果良好,误差基本在3倍因子之内,结果偏保守,工程应用安全。     

转向架构架常见焊接缺陷及返修工艺

焊接结构中存在的焊接缺陷会明显降低结构的承载能力。焊接缺陷的存在,减小了焊接接头的有效承载面积,造成了局部应力集中。非裂纹类的应力集中源在焊接产品的过程中也极有可能演变成裂纹源,导致裂纹的萌生。焊接缺陷的存在甚至还会降低焊接结构的耐腐蚀性和疲劳寿命。所以,在焊接产品的制造过程中应采取相应措施,防止产生焊接缺陷,一旦发现焊接缺陷,应制订科学的返修工艺,及时修复。     

带表面裂纹焊接构件疲劳寿命与安全性的概率评定

本研究以对接接头焊趾表面裂纹疲劳扩展随机模型与统计分析为基础，分析了焊趾表面裂纹疲扩展的极限状态，探讨了带表面裂纹焊接构件疲劳扩展寿命与安全性的概率评定方法。     

Q960E热影响粗晶区疲劳寿命与ΔKth值的关系分析

基于模拟焊接热循环试验及疲劳裂纹扩展试验,对动载结构用高强钢Q960E热影响粗晶区进行了多种应力幅值作用下的疲劳寿命研究.通过得到Paris方程建立了不同焊接热模拟工艺下疲劳裂纹扩展门槛值（ΔK_th）随不同交变载荷下疲劳寿命值的近似线性关系.利用场发射扫描电镜中背散射衍射功能（EBSD）对疲劳裂纹扩展试样中的裂纹尖端进行了晶体学取向分析及扩展机制讨论.结果表明,在应力幅值ΔP固化后,疲劳寿命N随ΔK_th的增大而增加,其延寿微观机理在于组织中的亚结构取向存在差异,所形成的大角度晶界（≥15°）可有效迫使裂纹转向,从而提高材料的疲劳寿命.     

激光-电弧复合焊接7075-T6铝合金裂纹扩展分析

研究了7075-T6铝合金薄板激光复合焊焊接接头疲劳裂纹扩展寿命.同时通过试验建立了不同热输入与弹性模量之间的函数关系并预测了给定热输入下的疲劳寿命.基于改进的Forman公式,提出了一种考虑7075-T6复合焊接头性能差异性、应力强度因子门槛值、裂纹扩展驱动力以及残余应力等多因素耦合的接头寿命预测模型.通过有限元模拟仿真并结合裂纹扩展和接头拉伸试验,对提出的模型进行了验证.结果表明,该模型预报的接头寿命与试验结果吻合较好.     

梯形波纹腹板焊接梁疲劳寿命分析

针对梯形波纹腹板焊接梁结构,分别基于不同的表征应力方法(名义应力法、热点应力法、等效结构应力法)建立梁结构的有限元模型,研究焊缝处各表征应力的分布规律,分析裂纹产生的位置,计算疲劳寿命,比较不同表征应力的评定效果.结果表明,名义应力和热点应力的分布曲线相似,存在一定的波纹特性,但根据波纹变化无法准确判断裂纹产生位置及预测疲劳寿命;等效结构应力分布曲线的波纹变化特性十分显著,可较好地预测裂纹产生位置并较准确地估算疲劳寿命.因此建议采用等效结构应力作为梯形波纹腹板焊接梁结构的寿命控制参量.     

X80管线钢焊接热模拟热影响区疲劳裂纹扩展行为的分析及预测

通过焊接热模拟方法对X80双相管线钢不同焊接热影响区疲劳裂纹扩展行为进行了研究,并分析实际焊接试样与焊接热模拟试样的热影响区疲劳裂纹扩展行为的差异,讨论了焊接热模拟技术应用于疲劳裂纹扩展寿命预测的可行性。结果表明,当裂纹在粗晶热影响区(CGHAZ)和临界热影响区(ICHAZ)上扩展时,由实际焊接试样与焊接热模拟试样热影响区所测得的疲劳裂纹扩展速率曲线(da/dN-DK曲线)存在明显差异,其原因与显微组织变化引起的裂纹扩展阻力大小不同有关。因此,建议采用实际焊接试样完整的热影响区所测得的da/dN-DK曲线来评估疲劳裂纹扩展寿命。     

中缸体焊接接头断裂行为的有限元分析

液压支架中缸体是以焊接方式连接,那么焊缝位置的选择对于中缸体的使用寿命具有重要的影响。这样笔者分析了不同位置焊接接头的受力特点、应力强度因子以及与其相关的裂纹扩展速率(寿命评估)等断裂参数。通过不同位置焊接接头的有限元分析可知:焊接接头在中缸体中间时对压力的敏感性较强。应力强度因子的计算结果表明:对两种位置焊接接头的应力强度因子值的比较可以发现,焊接接头在中缸体中间时其应力强度因子值小于在中缸体端部时的应力强度因子值,说明了焊接接头在中间位置时抗疲劳和断裂能力较强。裂纹扩展速率试验结果表明:热影响区裂纹扩展速率大于焊缝的裂纹扩展速率,因此裂纹扩展沿着熔合线扩展的可能性更大。     

残余压应力场对B780CF钢焊接接头疲劳裂纹扩展的影响

为了明确不同强度残余压应力场对裂纹扩展速率及寿命的影响,采用埋弧自动焊通过不同焊接热输入控制不同焊缝宽度,从而在制备标准CT试样时通过机械加工时的残余应力释放得到各组不同强度残余压应力场的各组焊接接头,并根据裂纹闭合原理,提出基于Elber的三参数分段公式,根据分段公式条件从MTS试验机采用柔度法获得的试验数据中提取、归纳数据,利用断裂力学方法和数理统计方法进行分析,得出结论,裂尖存在的焊接残余压应力场在一定程度上可以明显降低裂纹扩展速率,提高裂纹扩展寿命,对焊接接头裂纹扩展有着关键性作用。     

结构疲劳裂纹扩展寿命的区间预测北大核心

针对结构疲劳裂纹扩展寿命预测中参数不确定性会导致结构裂纹扩展寿命偏差较大的问题,在分析过程中考虑结构材料特性、载荷和裂纹尺寸等的不确定性,将影响结构疲劳裂纹扩展寿命的不确定性参数视为区间变量,给出了疲劳裂纹开始扩展的区间条件;以Paris公式恒幅载荷疲劳裂纹扩展寿命计算公式为基础,提出了恒幅载荷和变幅载荷作用下结构疲劳裂纹扩展寿命预测的区间模型,并且给出了该区间模型求解的优化方法。通过工程实例计算,表明该方法是可行、有效和简便的,它可以作为结构疲劳裂纹扩展寿命预测的一种新方法。     

秦山核电站320MW汽轮机静叶片裂纹的焊接修复

对秦山核电站320 MW汽轮机静叶裂纹产生的原因进行了分析,从母材的材质性能、裂纹倾向、焊接拘束及应力状态等方面,对静叶焊接修复的可行性进行了分析,针对马氏体不锈钢的焊接修复特点,分析了不同的焊接修复方案,制定了合理的修复焊接工艺,着重阐述了裂纹挖补、焊前预热、母材小热输入焊接、焊后热处理及焊后PT检查等一系列修复措施。     

TC17钛合金电子束焊接接头的疲劳裂纹扩展规律及疲劳剩余寿命

首先通过试验取得母材及焊接接头的疲劳裂纹扩展速率,然后结合TC17钛合金电子束焊接接头CTOD试验结果及裂纹容限计算值,以估算其疲劳剩余寿命.结果表明:在低应力水平或低△K下,TC17电子束焊缝的da/dN数据与母材的基本相当;然而随着应力水平的增加,焊缝的da/dN值越来越大.在初始裂纹尺寸相同的情况下,TC17合金电子束焊缝与母材疲劳裂纹扩展寿命曲线存在交叉点.当应力幅大于交叉点应力幅时,TC17母材疲劳裂纹扩展到临界裂纹尺寸的剩余寿命要高于相应焊缝的剩余寿命;当应力幅小于交叉点应力幅时,TC17母材扩展到临界裂纹尺寸的剩余寿命要低于相应焊缝的剩余寿命.