铝合金焊接接头疲劳评定的应力平均法

应力平均法（the stress averaging approach,简称SAA）是局部应力方法之一,文中采用此方法对3A21铝合金焊接接头进行疲劳评定,用有限元计算局部应力值,建立试验结果和评定结果的S-N曲线,并分析接头形式、焊趾半径对疲劳强度的影响。结果表明,SAA法评定的结果是偏于安全的,但Neuber建议把焊趾处视为尖锐缺口（即令ρ=0,ρ^＊=0．15mm）,在工程上有一定的适用件,在理论上并不完全正确。这样在焊趾处将产生较大的应力集中,由此得到的局部应力值远远大于实际值。接头形式对采用名义应力幅值△σ表示的疲劳强度有较大影响;焊趾是决定焊态接头疲劳性能的关键部位,应力集中区的最大应力存在于焊趾部位。     

焊接接头疲劳评定局部法研究进展

焊接接头疲劳评定的“局部法”(local approach)是近年来疲劳评定研究的重要方向。这种方法的基本原理是采用与疲劳断裂直接相关的应力集中区域应力场的“局部参量”作为疲劳断裂的控制参量,建立具有普遍适用性的“局部参量”与循环次数N表示的S-N曲线,据此进行疲劳强度和疲劳寿命预测与评定。由于局部法包括焊接接头局部焊缝几何细节等因素,因而更能反映焊接结构疲劳断裂的实际情况,受到国际焊接学会和工程界的普遍重视。目前已发展多种疲劳评定的局部方法,如缺口应力强度因子法(N-SIF)、等效应力强度因子法(E-SIF)、临界距离法(CDM)：包括点(PM)、线(LM)、面(AM)和体积法(VM)、临界面法和包括应力梯度的体积法等。本文对这些局部法的基本原理、分析步骤及影响因素进行简要探讨。     

考虑热点应力梯度的焊接接头疲劳评定

研究热点应力梯度对焊接接头疲劳评定的影响.基于Taylor的临界距离理论并结合有限元计算得到十字接头与T形接头的疲劳切口系数,预测主板受拉压和弯曲加载时的疲劳强度差异,与试验结果吻合.将板状焊接接头的热点应力分解为膜应力与弯曲应力,当量化其中的弯曲应力成分以考虑应力梯度的影响,由此定义有效热点应力.十字接头与直角角接接头的分析结果表明,由有效热点应力表述的疲劳切口系数与接头类型以及加载方式基本无关,主板的厚度效应预测可由现有的幂律型关系给出.对多组焊接结构的疲劳数据进行重新分析,结果表明,以有效热点应力作为控制应力时,可望用一条S-N曲线表述不同加载方式下多种焊接结构的疲劳数据,且离散度减小.     

T形焊接接头根部裂纹应力强度因子研究

建立T形焊接接头根部裂纹的半椭圆裂纹模型,定义裂纹模型的构形参数以及边界条件,分析裂纹尖端的应力强度因子。采用奇异单元法,通过有限元计算,模拟裂纹尖端的应力奇异性。并通过收敛性检验确定裂纹尖端的单元尺寸。在此基础上,计算裂纹尖端量纲一应力强度因子,并分析其受几何参数影响的变化规律。计算结果表明,对于给定的载荷条件下,不同初始裂纹尺寸时,裂纹尖端的应力强度因子存在一定的规律性,且不同几何参数对应力强度因子的影响程度存在一定差异,因此,对焊接结构疲劳强度研究时需要有一定的侧重点。采用多重线性回归方法拟合仿真计算结果,这些结果为进一步研究T形焊接接头根部裂纹扩展和疲劳寿命预测提供参考。     

十字横向承载焊接接头疲劳裂纹扩展寿命估算

利用一种新的计算模型，用有限元法计算了十字焊接接头疲劳裂纹尖端的应力强度因子值，并拟合了裂纹在焊根和焊趾处扩展的应力强度因子表达式。据此利用Ｆｏｒｍａｎ疲劳模型，考虑显微金相组织的影响，估算了裂纹扩展寿命，与实验值比较，结果合理。     

基于热点应力法的AZ31B镁合金焊接接头疲劳评定

针对镁合金焊接结构的疲劳性能问题,用热点应力法对10 mm厚的AZ31B镁合金对接接头和纵向非承载十字接头的疲劳强度进行评定,并用国际焊接学会推荐的方法进行数据处理,做出热点应力S-N曲线并与名义应力S-N曲线进行对比.试验分析表明:试验所采用的两种焊接接头用名义应力法评定时疲劳数据分散性较大,相关系数为0.916,试验疲劳级别分别为FAT35和FAT25;用热点应力法评定时疲劳数据分散性明显减小,相关系数为0.957,比前者提高4.48%,两种焊接接头疲劳强度可以用一条S-N曲线表示,试验疲劳级别为FAT33;这两种评定方法的试验疲劳级别都高于按国际焊接学会推荐的m=3得到的疲劳级别,说明选取m=3进行结构设计具有较高的安全系数.     

等效结构应力法在高强钢疲劳寿命预测中的应用

利用成组法对某工程机械常用高强钢材料制作成的对接接头的疲劳寿命开展试验研究。采用美国机械工程师协会(ASME)标准中"网格不敏感的结构应力法及主S-N曲线法"对上述接头的疲劳寿命进行预测。研究表明:基于等效结构应力法的高强钢对接接头疲劳寿命预测结果与试验结果存在一定的偏差。依据董平莎提出的主S-N曲线修正表达式,并结合高强钢对接接头试验结果,引入等效结构应力范围(Δss)修正系数,得到适用于900 MPa级高强钢疲劳寿命预测的修正主S-N曲线。     

T型焊接接头表面裂纹应力强度因子影响因素研究

针对T型焊接结构中出现的疲劳断裂现象,采用扩展有限元法计算裂纹尖端应力强度因子,分析其受裂纹参数、载荷、结构参数影响的变化规律。计算结果表明:随着裂纹尺寸的增大,裂纹尖端应力强度因子呈发散状态增大;弯曲载荷变化引起裂纹尖端应力强度因子的变化程度大于拉伸载荷;裂纹尖端应力强度因子与结构参数呈线性关系。     

机车车辆焊缝疲劳评定结构热点法研究及应用

结构热点应力法是一种先进且切实可行的疲劳评定方法,可以大幅提高机车车辆疲劳强度评定水平。目前业内研究人员已经开展了一些富有成效的研究。综述了机车车辆疲劳强度的研究成果;简述了热点应力法的发展和定义;重点对确定热点应力和对应的S-N曲线两类关键问题展开详细阐述;最后对热点应力法在机车车辆焊缝疲劳评定中的应用提出了建议。     

EFFECT OF MEAN STRESS ON FATIGUE PERFORMANCE OF WELDED JOINTS TREATED BY UPT

The fatigue contrast tests of unload longitudinal direction corner joints as original welded and treated by ultrasonic peening of Q235B in various stress ratio are directed. The improvements of fatigue performance of unload longitudinal direction corner joints resulted by ultrasonic peening are studied. The effect pattern of stress ratio on fatigue performance of welded joints that are treated by ultrasonic peening is studied. As tests results indicate that: ① In the condition of stress ratio R=-1, the fatigue strength of specimen treated by ultrasonic peening is increased by 165% of that of the original welded specimen. And the fatigue life of specimen treated by ultrasonic peening is as much as 75-210 times of that of the latter. When R=0.1, the fatigue strength is increased by 87% and the fatigue life is extended by 21-29 times. When R=-0.5, the fatigue strength is increased by 123% and the fatigue life is extended by 42-59 times. When R=0.45, the fatigue strength is increased by 51% and the fatigue     

相变应力及其改善焊接接头的疲劳强度

基于钢铁材料相变体积膨胀的原理,自行研制成功专用低相变点焊条,在自然冷却条件下焊缝金属依靠相变应力可以获得残余压缩应力。利用所研制的低相变点焊条和普通E5015焊条分别对几种典型的接头进行焊接,疲劳试验证明：在2×106循环次数下,前者的焊接接头疲劳强度比后者提高11%～58%。同时还证明焊接接头的应力集中和拘束度越大,疲劳强度的改善效果越加明显。本方法为改善焊接接头的疲劳强度提供了一条新的途径。     

改善焊接接头疲劳强度超声冲击法的试验研究

利用自行研制的超声波冲击试验装置,对几种典型焊接结构用钢(Q235B和16Mn)的对接和十字接头(熔透)实施冲击处理.然后进行焊态与冲击处理态的弯曲与拉伸两种加载方式的疲劳对比试验.分别获得了各种情况冲击处理前后的σ-N曲线及条件疲劳极限(2×106周次).结果表明超声冲击处理后,Q235B对接接头条件疲劳极限(2×106周次)提高了57%(拉伸),十字接头(4点弯曲)提高了64%,能够提高疲劳寿命40～60倍左右.16Mn对接接头条件疲劳极限(2×106周次)提高了90%(拉伸),十字接头(拉伸)提高了67%,能够提高疲劳寿命多达30～100倍.超声冲击处理对16Mn疲劳强度与寿命的改善程度高于Q235B.     

变幅载荷下超声冲击处理焊接接头的疲劳行为

为研究变幅载荷作用下超声冲击处理焊接接头的疲劳行为,采用非承载纵向角接接头进行了Q235B及16Mn钢原始焊态与超声冲击处理态的对比疲劳试验。试验结果表明：①在变幅载荷作用下,Q235B超声冲击处理试件与原始焊态试件相比,疲劳强度提高69%左右,疲劳寿命延长5.7～19.0倍。②在变幅载荷作用下,16Mn超声冲击处理试件与原始焊态试件相比,疲劳强度提高80%左右,疲劳寿命延长2.5～17.0倍。③在变幅载荷作用下,超声冲击处理焊接接头与原始焊态试件的疲劳性能均有所下降：Q235B超声冲击处理焊接接头的疲劳寿命约为恒幅载荷作用时的1/3,原始焊态的疲劳寿命约为恒幅载荷作用时的70%;16Mn超声冲击处理焊接接头的疲劳寿命约为恒幅载荷作用时的1/3,原始焊态的疲劳寿命约为恒幅载荷作用时的75%。④超声冲击处理焊接接头在承受强烈的变幅载荷时依然具有很高的疲劳强度。     

提高焊接接头疲劳强度的超声冲击法与TIG熔修法之比较

采用Q2 35B十字接头试件 ,就改善焊接接头疲劳强度的超声冲击法与TIG熔修法进行了全面对比。结果表明 :超声冲击处理对焊趾区硬度的影响不如TIG熔修明显 ;TIG熔修对焊趾几何外形的改善程度好于超声冲击法 ;TIG熔修处理工艺在焊趾区引入了残余拉应力 ,而超声冲击在焊趾区形成了较大数值的压缩应力。Q2 35B十字焊接接头经TIG熔修后 ,其疲劳强度 (2× 10 6 )提高 5 1% ,低于超声冲击处理对相同试件的疲劳强度 (2× 10 6 )改善程度 (6 4% )。     

焊接残余应力对超声波冲击处理焊接接头疲劳性能的影响

采用含高值焊接残余应力的非承载纵向角接接头进行了Q235B钢焊态与超声波冲击态的疲劳对比试验,研究了焊接残余应力对超声冲击处理焊接接接头疲劳性能的影响规律。结果表明:焊接残余应力对超声波冲击处理后焊接接头疲劳性能的影响较小。使用不含高值焊接残余应力的小试件来评估超声波冲击处理对相同接头形式及板厚的大型焊接结构疲劳性能的改善程度可能是偏于安全的。     

提高焊接接头疲劳强度的低相变点焊条和超声冲击方法

由于焊趾部位存在有应力集中和残余拉伸应力,焊接接头的疲劳强度远低于基体金属,超声冲击和低相变点焊条的应用是近年来发展的提高焊接接头疲劳强度方法。通过对横向对接焊接接头和纵向角接板焊接接头试件的疲劳试验,在2×106循环次数下与普通E5015焊条焊态试件相比,超声冲击处理的两种型式接头的疲劳强度分别提高50％和71％,低相变点焊条焊接的两种型式接头的疲劳强度分别提高11％和41％,相应接头的疲劳寿命也有大幅度的提高。试验结果说明,两种方法都是提高焊接接头疲劳强度的有效方法,其中超声冲击方法的提高程度较高,而由于免去了焊后加工处理工序,低相变点焊条方法更适合于具有高值残余拉伸应力纵向焊缝焊接接头疲劳强度的改善。     

疲劳裂纹残余应力与应力强度因子研究

聚碳酸酯紧凑拉伸试件的疲劳试验和光弹性试验表明，尽管是低应力疲劳问题，但随着裂纹的扩展在裂尖附近出现残余应力场。给出了与循环周次相对应的卸载残余应力场，从而揭示出闭合效应的存在并提出其度量准则。试验表明，闭合效应使得应力强度因子降低，因此原有应力强度因子理论计算式不再适用，对此提出了一种简便有效的修正方案。