复杂应力状态下焊接接头的疲劳寿命预测方法研究--《电子科技大学》2016年博士论文
复杂应力状态下焊接接头的疲劳寿命预测方法研究
【摘要】：为满足大型复杂机械结构的轻量化要求,焊接技术被越来越多地应用到工程实际中。由于大型复杂机械结构的受力状态异常复杂,服役环境愈趋恶劣,导致焊接结构的疲劳问题变得尤为突出。而焊接接头中通常存在的裂纹、气孔、夹杂、未熔合、未焊透等缺陷,使得焊接接头成为整个焊接结构的薄弱环节。针对焊接接头开展疲劳寿命预测研究,以制定安全评估及健康管理决策,实现焊接结构的最大化利用,可以大大降低经济损失和减少人员伤亡。因此,研究复杂应力状态下焊接接头的疲劳寿命预测方法具有重要的理论意义和工程价值。目前,用于焊接接头疲劳寿命预测的方法主要有两类,一类是基于S-N曲线和疲劳累积损伤理论的方法,另一类是基于断裂力学理论和裂纹扩展率曲线的方法。针对上述两类方法在工程应用中的局限性,以及焊接结构的复杂承载状态,本文开展了焊接接头的疲劳累积损伤和概率疲劳寿命预测方法研究。其主要研究内容包括:(1)提出考虑载荷间相互作用效应的改进Manson-Halford模型及剩余寿命预测方法工程中,焊接接头的疲劳寿命预测模型通常忽略了载荷顺序效应和载荷间相互作用效应的影响,导致预测精度常常不能满足工程要求。针对此,由于Manson-Halford模型对疲劳累积损伤受外部载荷施加顺序的影响有较好的考虑,本文将载荷间相互作用效应以指数函数形式引入到该模型中,提出改进Manson-Halford模型。改进Manson-Halford模型可同时考虑不同加载顺序和载荷间相互作用对疲劳累积损伤的影响。通过分析剩余寿命的模型预测值和试验值,改进Manson-Halford模型具有较高的预测精度,可应用于工程中复杂应力状态下焊接接头的疲劳寿命预测。(2)提出考虑损伤程度和应力状态的改进Corten-Dolan模型及剩余寿命预测方法应用于工程的焊接结构,如列车焊接构架、焊接车体、焊接摇枕等,主要承受低于其疲劳极限的小载荷的作用,疲劳损伤亦主要由小载荷引起并进行累积。Corten-Dolan模型能考虑小载荷对累积损伤的影响,然而,目前对模型中影响疲劳寿命预测精度的关键参数,即指数d的确定方法仍存在争议。针对此问题,考虑到疲劳失效是材料或结构在一定损伤情况下,应力继续作用的结果,本文在Corten-Dolan模型的基础上,对指数d的确定方法进行研究,并提出能综合考虑某一时刻的损伤程度和当前应力状态的改进Corten-Dolan模型,该模型满足二元失效判据,能更好地描述复杂应力状态下疲劳破坏的物理机制。经验证,当应用改进Corten-Dolan模型预测常用焊接材料、焊接接头在二级、多级载荷下的疲劳寿命时,预测误差均在50%以内,且计算过程较为简单,可用于复杂应力状态下焊接接头的疲劳寿命预测。(3)提出基于广义多项式混沌法的S-N曲线不确定性分析及概率疲劳寿命预测方法试验过程中,由于所采用的试件、条件、操作以及数据读取等存在不确定性,使得焊接接头常幅载荷下的疲劳寿命存在分散性,造成S-N曲线具有不确定性。因此,为使焊接接头复杂应力状态下的疲劳寿命预测结果能较好地反映实际情况,应用对不确定性有较好处理能力的多项式混沌理论,结合改进Manson-Halford模型和改进Corten-Dolan模型,提出了考虑S-N曲线不确定性的概率疲劳寿命预测模型。结果表明,基于广义多项式混沌法的疲劳寿命预测方法能以较高的计算效率得到与Monte Carlo方法相接近的预测效果,这对广义多项式混沌法应用于疲劳寿命预测的合理性进行了验证,拓展了多项式混沌理论的应用范围,并对基于S-N曲线和累积损伤理论的疲劳寿命预测方法进行了完善。(4)提出基于初始裂纹与等效裂纹的概率疲劳寿命预测方法目前,当采用断裂力学理论结合裂纹扩展率曲线的方法对焊接接头疲劳寿命进行预测时,初始裂纹尺寸的确定和随机载荷下寿命预测过程复杂是亟需解决的问题。针对此,基于当量初始缺陷尺寸、应力强度因子模型以及裂纹萌生与扩展的分界,提出了考虑应力水平的初始裂纹尺寸的确定方法,该方法可减少对人为经验的依赖,同时可节省试验成本和时间。另外,为降低随机载荷下疲劳寿命计算过程的复杂度,提出等效裂纹尺寸概念及其计算模型,并考虑模型不确定性。经验证,确定初始裂纹尺寸时考虑应力水平的影响是可行的,等效裂纹尺寸的提出简化了概率疲劳寿命的计算过程,而模型不确定性的考虑使得该模型更利于材料或结构的安全性和可靠性评估。
【关键词】：
【学位授予单位】：电子科技大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2016【分类号】：TG405【目录】：
摘要5-7ABSTRACT7-16主要符号及缩略语16-19第一章 绪论19-36 1.1 研究背景及意义19-20 1.2 疲劳机制与抗疲劳设计方法20-22 1.3 疲劳寿命预测方法22-30
1.3.1 确定性疲劳寿命预测方法22-27
1.3.2 概率疲劳寿命预测方法27-30 1.4 常用焊接接头疲劳寿命预测方法30-33
1.4.1 基于S-N曲线的疲劳寿命预测方法30-31
1.4.2 基于断裂力学理论的疲劳寿命预测方法31-32
1.4.3 存在的问题32-33 1.5 论文的主要研究工作33-36第二章 考虑载荷间相互作用的疲劳寿命预测36-54 2.1 引言36 2.2 疲劳累积损伤理论36-44
2.2.1 线性累积损伤理论36-37
2.2.2 非线性累积损伤理论37-44 2.3 Manson-Halford模型的缺陷及其改进形式44-48
2.3.1 Manson-Halford模型的缺陷44-46
2.3.2 考虑载荷间相互作用的改进Manson-Halford模型46-48 2.4 改进Manson-Halford模型的试验验证48-53
2.4.1 二级载荷下常用焊接材料的疲劳寿命预测48-50
2.4.2 二级载荷下铝合金焊接接头的疲劳寿命预测50-52
2.4.3 多级载荷下的疲劳寿命预测52-53 2.5 本章小结53-54第三章 考虑损伤程度和应力状态的疲劳寿命预测54-72 3.1 引言54 3.2 Corten-Dolan模型54-57 3.3 考虑损伤程度和应力状态的改进Corten-Dolan模型57-59 3.4 改进Corten-Dolan模型的试验验证59-70
3.4.1 二级载荷下常用焊接材料的疲劳寿命预测60-65
3.4.2 多级载荷下焊接接头的疲劳寿命预测65-68
3.4.3 209型转向架焊接构架的疲劳寿命预测68-70 3.5 本章小结70-72第四章 基于广义多项式混沌法的概率疲劳寿命预测72-95 4.1 引言72-73 4.2 焊接接头S-N曲线的不确定性73-74 4.3 基于广义多项式混沌法的概率疲劳寿命预测74-81
4.3.1 广义多项式混沌法74-78
4.3.2 S-N曲线的不确定性分析及概率疲劳寿命预测78-80
4.3.3 基于多项式混沌展开的随机响应面法80-81 4.4 算例分析81-94
4.4.1 二级载荷下焊接接头的概率疲劳寿命预测82-89
4.4.2 多级载荷下焊接接头的概率疲劳寿命预测89-94 4.5 本章小结94-95第五章 基于初始裂纹和等效裂纹的概率疲劳寿命预测95-117 5.1 引言95 5.2 确定初始裂纹尺寸时考虑应力水平的疲劳寿命预测方法95-103
5.2.1 裂纹萌生寿命预测96-98
5.2.2 裂纹扩展寿命预测98-100
5.2.3 考虑应力水平的初始裂纹尺寸确定方法100-102
5.2.4 确定初始裂纹尺寸时考虑应力水平的疲劳寿命预测流程102-103 5.3 随机载荷下基于等效裂纹尺寸的概率疲劳寿命预测103-106
5.3.1 等效裂纹尺寸及计算模型103-105
5.3.2 考虑模型不确定性的概率疲劳寿命预测105-106 5.4 算例分析106-116
5.4.1 常幅载荷下焊接接头的疲劳寿命预测106-112
5.4.2 随机载荷下焊接接头的概率疲劳寿命预测112-116 5.5 本章小结116-117第六章 结论与展望117-120 6.1 本文主要研究结论117-119 6.2 论文后续工作119-120致谢120-121参考文献121-137在学期间参与的项目研究137-138在学期间发表和录用的学术论文138-139
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2016剖析焊接接头失效原因
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摘要：通过对焊接接头性能影响因素的分析和实验，调整相应的结构参数和焊接工艺参数，防止焊接接头缺陷的产生，提高接头机械性能，从而提高产品的使用寿命，减少损失，节约了材料。关键词：焊接接头；失效分析；结构因素热交换器产品中的固定式不带法兰的管板与壳体的连接焊接接头是产品上的主要焊接接头，制造过程中焊接接头内部组织的缺陷，如夹渣、气孔、未熔合、未焊透、裂纹以及组织粗大等，将影响焊接接头的机械性能，也影响产品使用的可靠性，给使用单位带来不必要的经济损失，是个不可忽视的问题。通过对焊接接头性能影响因素的分析和实验，调整相应的结构参数和焊接工艺参数，防止焊接接头缺陷的产生，提高接头机械性能，从而提高产品的使用寿命，减少损失，节约了材料。一、问题的提出在产品生产过程中，焊接结构参数、焊接工艺参数、焊接前的准备和操作方法等因素都会影响焊接接头的质量，在焊接时就要通过控制相关技术参数来控制焊接接头内部质量，尽可能提高焊接接头的机械性能。在诸多技术因素中以结构参数和焊接工艺参数对焊接接头质量影响最大，为此，坡口尺寸变化对焊接接头质量的影响及焊接工艺参数对焊接接头质量的影响是本课题的主要内容。通过研究不同尺寸的坡口用相同焊接工艺参数下焊成的接头在焊接接头组织、机械性能、焊接应力分布的变化；比较对焊接接头质量影响最小的结构尺寸，选出最优技术参数。二、坡口尺寸的确定产品的设计坡口尺寸如图1所示，其中，管板车边尺寸为.25δ，与壳体组对后坡口间隙为.4δ1，具体根据不同的板厚在国家标准中有明确的规定。本课题根据中生产单位的实际情况，δ和δ1的取值如表1。根据表中的数据，按《钢制压力容器》标准的有关规定，可以分别计算出管板车边尺寸和坡口间隙尺寸，也列于表1中。在本次试验中，为了减少工作量，试件的坡口组对成大小端，最大值取6mm，最小值取1mm。虽然该值与国家标准的要求有出入，但符合焊接工艺中保证焊接接头质量的有关要求，对试验结果的正确性影响不明显。三、模拟试验与检测为保证结构参数对焊接接头的组织、应力和机械性能等方面影响的试验结果准确，在焊接过程中，要求焊接工艺参数保持不变。本试验的试件结构与产品实际使用的结构相近。对焊接接头的检测主要包括焊接接头热影响区应力值、机械性能测试和热影响区组织分析。3.1应力测试应力测试时采用了应力释放法。通过焊接接头区或焊接热影响区某点处的应变量测试，计算出该点的应力值。用此法检测比较简单，所需测试设备简便。虽然数据不够准确，但同一试件测试的数据有对比性，对本课题来说完全符合要求。测试时，为使焊接热影响区的应力相对准确且有对比性，试验时选焊接接头焊趾两侧5mm处平行于焊接接头中心线的直线上作为测试焊接应力的位置，并以5mm的间距为一测试点，两侧两端各测6点。3.2机械性能测试应力测试后的试件用机械加工的方法加工成拉伸试样，测试其机械性能。四、数据分析4.1测试点应力与焊接接头距离的关系以上数据表明，离焊接接头不同的距离的各点间的应力是不同的。离熔合线越近，应力值越大；离熔合线越远，应力值越小。表明高温区更易产生较高的应力。4.2坡口间距对应力的影响坡口间距对应的影响也较为明显，从表中可以看出，坡口间距越大，应力值也有明显的增大，最大间隙处应力值（为最小间隙处应力值的3.5倍左右）。从理论上分析，坡口越大，需填充的金属越多，焊接时热作用时间越长，温度也越高，因而产生更大的应力。4.3坡口间距对机械性能的影响可以看出，坡口间距对机械性能的影响较小，但坡口间距对缺陷有较大的影响。两个试样都做了宏观金相检查，坡口间距越小，未焊透缺陷倾向增加。所以，坡口间距间接地影响了焊接接头的强度，降低疲劳强度。五、金相分析在相应的最大坡口端和最小坡口端，分别取试样进行金相分析，对比母材金相，组织变化差异很小。可见，因所用材料为普通碳素结构钢（管板和筒体材料都选用了Q235-B），这类材料的组织在加热时，长大倾向并不明显。可以认为，坡口间距对焊接接头及热影响区金属组织的影响是不大的。或者说，因焊接接头及热影响区金属组织所引起的焊接接头失效现象的因素要比焊接缺陷和应力变化所产生的影响小得多。六、结论通过以上分析，造成管板与壳体连接焊接接头失效的重要因素中，坡口尺寸大小是其中之一。因为坡口尺寸大小对焊接接头内部缺陷的产生及热影响区的焊接残余应力大小有着重大的影响，坡口越大，焊接缺陷产生的可能性增加，焊接残余应力增加。在焊接实践中，可以通过选择合适的坡口尺寸，配以合理的焊接工艺参数，尽可能降低焊接接头及热影响区的焊接残余应力，则可以减少此类失效现象的发生，从而减小生产中的经济损失。参考文献：[1]霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定[M].北京：机械工业出版社，2，6.[2]全国压力容器委员会标准化委员会.GB15-1998，钢制压力容器[S].[3]全国压力容器委员会标准化委员会.GB151-99，管壳式换热器[S].[4]陈祝年.焊接设计简明手册[M].北京：机械工业出版社，1997，3.
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